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网络控制系统文献综述 1.概述 随着电子计算机和网络通信技术的发展以及控制和管理要求的不断提高,使得控制系统正由封闭的集中体系加速向开放分布式体系发展。从控制系统的出现就生了控制信息交流和共享的问题。由于技术上的限制,控制系统早期采取一种封闭结构,这同计算机技术发展早期相似;而且控制系统网络化发展(如图1)也跟计算机网络的发展进程有某种相似的对应关系。 在计算机控制系统的发展过程中,每一种结构的控制系统的出现总是滞后于相应计算机技术的发展[1]。实际上,大多数情况下,正是在计算机领域一种新技术出现以后,人们才开始研究如何将这种新技术应用于控制领域。 进入21世纪,自动化与工业控制技术需要更深层次的渗透通信与网络技术。一方面,现代工厂与智能设备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间,其间的通信需要数据通讯网络来实现,这是网络环境下典型的控制系统[2](如图2)。另一方面,通信网络的管理与控制也要求更多的采用控制理论与策略。集中式控制系统和集散式控制系统都有一些共同的缺点,即随着现场设备的增加,系统布线十分复杂,成本大大提高,抗干扰性较差、灵活性不够、扩展不方便等。为了从根本上解决这些问题,必须采用分布式控制系统来取代独立控制系统。分布式控制系统就是将控制功能下放到现场节点,不需要一个中央控制单元来集中控制和操作, 通过智能现场设备来完成控制和通信任务。分布式控制系统可以分为现场总线控制系统和网络控制系统,前者可以看作是后者的初级阶段[3]。 从网络结构上来说, NCS和FCS并没有区别, 都是总线网络,多个节点共享信道,用来传输实时或非实时数据;但从定义上看, FCS侧重的是节点之间实时或非实时数据的传输和共享,而NCS则强调在通信网络上建立闭环控制回路,从这一点上看, NCS中的网络是一个广义的范畴,包括了FCS,但不局限于FCS,还可以包括工业以太网、无线通信网络、甚至Internet,这也是与网络技术的发展相适应的。 “Networked Control Systems”最早于1998年出现在马里兰大学G. C. Walsh的论著中,但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构,指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而??济大学的于之训等用了“网络控制系统”;重庆大学的张结斌等用了“分布式网络控制系统”这样的术语。 清华大学的顾洪军给出了明确的定义[4]: 定义1　网络控制系统( NCS, Networked Control systems),又称为网络化的控制系统,即在网络环境下实现的控制系统。是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合, 用以提供设备之间的数据传输,使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统包括狭义的在内,而且还包括通过企业信息网络以及Internet实现对工厂车间、生产线 甚至现场设备的监视与控制等。 这里的“网络化”一方面体现在由于控制网络的引入,现场设备控制进一步趋向于分布化、扁平化和网络化,其拓扑结构参照计算机局域网,包含星型、总线型和环型等几种形式;另一方面体现在现场控制与上层管理相联系,将孤立的自动化孤岛连接起来形成网络结构(如图3)。其中,由于企业资源计划(ERP)在维持和增强企业竞争力方面的重要作用,它已成为工厂自动化系统中不可缺少的组成部分,它能提供灵活的制造解决方案,使系统对消费者的需求能够作出快速反应。 从以上可以看出,控制技术和控制系统应该与企业的商业战略相联系,不仅需要将控制系统的各部分集成到一起,而且需要将控制系统(硬件和软件)集成到整个企业系统之中。企业的这种组织管理模式客观上便要求信息网络与控制网络的一体化(如图4),二者的分离必将会阻碍信息的上行下达,降低企业的生产管理效率。将控制网络融入企业信息网络,可以实现:集中管理、高层监控和企业的综合自动化,为进一步连入更大的网络系统,如Intranet、WAN、Internet等打下基础,从而实现远程监控、远程诊断和远程维护。而网络控制系统正是在这种背景下应运而生的。 2.NCS的研究内容及研究现状 网络控制系统一般有两种理解,一种是对网络的控制(Control of Network);另一种是通过网络传输信息的控制系统(Control through Net-work)[5]。这两种系统都离不开控制和网络,但侧重点不同。前者是指对网络路由、网络数据流量等的调度与控制,是对网络自身的控制,可以利用运筹学和控制理论的方法来实现[6, 7];后者是指控制系统的各节点(传感器、控制器、执行器等)之间的数据不是传统的点对点式的,而是通过网络来传输的,是一种分布式控制系统,可通过建立其数学模型用控制理论的方法进行研究。 将计算机网络系统