范文一：网络化控制系统

网路化控制系统 ----现场总线技术

1、 网络传输介质访问控制?

答:1、主从通信; 2、冲突检测; 3、逐位仲裁; 4、令牌; 5、时分复用。

2、 CRC 校验原理 ?

答:循环冗余校验将要发送的数据位序列当作一个多项式 f(x)的系数, 多项式 f(x)各项的 系数只用 1与 0两种形式。在发送方用收发双方预先约定的生成多项式 G(x)去除,求得 一个余数多相式。将余数多项式加到多项式之后发送到接收端。

3、 差错校验采取的冗余校验方法?

答:1、奇偶校验; 2、求和校验; 3、纵向冗余校验 LRC ; 4、循环冗余校验 CRC 。

4、 控制网络特点?

控制网络的数据传输量相对较小,传输速率相对较低,多为短帧传送,但它要求通信传 输的实时性强,可靠性强。

5、 载波传输?

答:发送设备要产生某个频率的信号作为基波来承载数据信号,这个基波称为载波。依 照数据内容改变载波信号的幅值、频率、相位,形成调制信号。载波信号加载数据后形 成的调制信号的传输过程称为载波传输。

6、 CAN 总线的逻辑状态?

答:显性状态和隐性状态。

7、 CAN 数据帧位场 7个?

答:帧起始、仲裁场、控制场、数据场、 CRC(校验 ) 场、应答场、帧尾。

8、 网络拓扑结构?

答:环形拓扑、星形拓扑、总线拓扑、树形拓扑、混合型拓扑。

9、 Zigbee 设备类型 3种?

答:协调器、路由器、终端设备。

10、 网络互连设备?

答:中继器、网桥、网关、路由器。

11、 常用的差错校正?

答:自动重传和前向差错矫正。

12、 串行接口 4个?

答:EIA-232、 EIA-485、 USB 、 IEEE 1394。

13、 什么是现场总线?

答:现场总线原本指生产现场多个测量控制设备之间公用的信号传输线,也曾被称为设 备电话线,是在生产现场多个测量控制设备之间实现双向串行数字通信的传输介质。 14、 报文?

答 :泛指通信过程中传送的信息。

15、 本质安全?

答:本质安全是指一个或一组电路在正常工作状态或特定的故障状态下,可能产生的任 何电火花的能量都不足以点燃某种特定的易爆物。

16、 逐位仲裁?

答:逐位仲裁的介质访问控制方式在于, 当多个节点同时向总线发送报文而引起冲突时, 优先级较低的节点会主动地退出发送, 而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据, 从而大大节省了总线仲裁的时间,提高了数据传输的确定性与实时性。

17、 三种 CSMA 坚持退避算法?

答:第一种为不坚持 CSMA ;第二种为 1坚持 CSMA ;第三种为 P 坚持 CSMA. 。

18、 通信分层 7层?

答:物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层、应用层。

19、 网络操作系统 ?

答:局域网操作系统, Netware 和 NetBEUI , windows 操作系统, UNIX , LinuX ,嵌入式操作 系统

20、 常用传输介质?

答:有线介质:双绞线、屏蔽电缆、同轴电缆、光缆;无线介质:无线电波、光波、红 外线。

21、 串行传输?

答:串行传输指数据流逐位依次地在一条线路上传输。

22、 基带传输?

答:基带传输指传输过程中不采用任何调制解调的频率变换措施,基本按照数据流本身 频率进行的传输。

23、 现场总线系统特点?

答:1、总线式连接; 2、开放式; 3、数字与智能化; 4、通信的确定性与实时性; 4、 环境适应性。

24、 Zigbee 两种设备地址?

答:一类为称为 MAC 地址或 IEEE 地址的长地址,其地址长度为 64b ;另一类为称 为网络地址或逻辑地址的 16b 短地址。

25、 同步的三种方式?

答:帧同步,位同步,字符同步。

26、 并行传输?

答:并行传输指数据以成组的方式在两条以上的并行通道上同时传输。

27、 模拟数据编码?

答:幅值键控 ASK ;频移键控 FSK ;相移键控 PSK.

28、 曼彻斯特编码原理?规则?

答 :曼彻斯特编码将每个比特时间分为两半,前半个时间段传送该位数数据值的反码,后半 个时间段传送该位数据值本身。

规律:在一个数据为的时间周期内, 从高电平跳变到低电平的信号波表示该位数据为; 从低 电平跳变到高电平的信号波表示该数据为 1.

29、

范文二：网络化控制系统

网络化控制系统——理论、技术及工程应用 (第一讲)

第一章 网络化控制系统概论

1.1网络化控制系统的产生与发展

随着计算机技术和网络通信技术的不断发展, 工业控制系统也发 生了重大的变革。 网络化控制系统 (Networked Control System, NCS) 应运而生, 其主要标志就是在控制系统中引入了计算机网络 , 从而使 得众多的传感器、 执行器、 控制器等主要功能部件能够通过网络相连 接, 相关的信号和数据通过通信网络进行传输和交换, 避免了点对点 专线的铺设,而且可以实现资源共享、远程操作和控制,增加了系统 的灵活性和可靠性 (工程技术大系统 :大型工业联合企业 // 电力系统、 水源系统、能源系统、交通系统、邮电系统、通信系统、大型计算机 网、生产协作网等) 。

在控制系统中使用网络并不是一个新的想法,它可以追溯到 20世纪 70年代末期 集散控制系统 (Distributed Control System, DCS) 的 诞生。 DCS 将控制任务分散到若干小型的计算机控制器(也叫现场 控制站)中,每个控制器采用直接数字控制(Direct Digital Control, DDC ) 的控制结构处理部分控制回路, 而在控制器与控制器、 控制器 与上位机(操作员站或工程师站)之间建立了计算机控制网络,这种 控制结构使得操作员在上位机中能够对被控制系统的实时运行状态 进行监控, 某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完

成,通过控制网络下载到对应的控制器中实时运行。 DCS 大大提高 了控制系统的可靠性 (和 DDC 相比较) , 并实现了集中管理和相对分 散控制。

随着处理器体积的减小和价格的降低, 带有微处理器的智能传感 器和智能执行器出现了, 这为控制网络在控制系统中更深层次的应用 提供了必要的物质基础, 从而在 20世纪 80年代产生了 现场总线控制 系统 (Fieldbus Control System,FCS) 。 FCS 作为网络化控制系统的新 技术把控制网络一直延伸到了产生现场的控制设备, 信号的传输完全 数字化,提高了信号的转换精度和可靠性,同时由于 FCS 的智能仪 表(变送器、执行器)带有微处理器,能够直接在生产现场构成控制 回路,控制功能也可完全下放,实现了完全的分散控制。

FCS 技术经过 20多年的发展,取得了很高的成就,在很多领域 都得到了广泛的应用, 但是仍然存在一些问题制约其应用范围的进一 步扩展:

首先 ,现场总线标准的不统一,虽然目前的国际电工委员会 (International Electro -technical Commission, IEC) 组织已经达成了国 际总线标准,但总线种类仍然有 10余种,并且各厂家自成体系,不 能达到完全开放,难以实现互换与互操作。

其次 ,现场总线仍是一种分层的专用网络,管理和控制分离,难 以实现整个工厂的综合自动化及远程控制。

近十年来,以太网(Ethernet )技术的发展和广泛应用,已经使 其从办公自动化走向工业自动化,从商业以太网发展到工业以太网,

工业以太网也正在成为工业控制网络的主流技术。 由于以太网具备开 放性、价格低廉、软硬件资源丰富、通信速率高等特点,不但已经基 本垄断了商业领域的网络通信市场, 而且在工业控制领域也得到了大 规模的应用。 现在多个现场总线行业性组织都在进行将以太网用作工 业网络的研究并推出了相应的解决方案, 这些研究不仅仅是将以太网 用作高层网络,而且希望将它直接和现场设备连接,实现所谓的“ E 网到底 ” 。我国也开发了第一个拥有自主知识产权并被 IEC 认可的基 于以太网的工业自动化标准(Ethernet for Plant Automation, EPA) 。美 国权威调查机构 Automation Research Company 的报告指出,今后以 太网不仅将继续垄断商业计算机网络通信和工业控制系统的上层通 信市场, 也必将领导未来的现场总线之发展, 以太网将成为现场总线 的基础协议。

信息时代的发展趋势必然是信息网络与控制网络的无缝集成 , 即 控制网络不仅要向下层的现场设备层发展, 同时也要与企业上层的信 息管理层进行连接, 目的是实现综合自动化系统中的资源管理层, 监 控执行层和现场设备层的互联与兼容, 以保证信息准确、 快速、 完整 的传输, 为企业将管理决策、 市场信息和生产控制等结合成一个有机 的整体 , 进而实现上层的企业资源规划 (Enterprise Resource Planning, ERP )创造条件。从这个角度讲,以太网“ E 网到底”的解决方案极 大的简化了企业计算机网络系统(从信息网络到控制网络)的设计, 提高了网络的可靠性, 为企业形成统一的真正意义上的全开放网络化 系统提供了技术支持。

由于互联网 (Internet ) 技术的出现与发展, 控制网络和互联网技 术的结合已经成为了 NCS 新的亮点。互联网技术和企业以太网控制 技术的结合能够形成 Ethernet +TCP/IP+Web控制模式, 从而能够实现 企业内部的远程监控、 远程管理和远程维护, 这会给企业带来更大的 经济效益,使得各行业综合自动化水平从 DCS 、 FCS 上升到一个更 高的高度,即是 NCS 。 在 NCS 中,只要安装一个客户端软件,一个 拥有访问权限的控制工程师可以在世界上任何一个连接 Internet 的 计算机上对某个控制网络的控制回路进行监控, 而无需返回现场, 从 而能够大大的提高工作效率 。

图 1-1给出了控制系统的发展历程及在不同阶段控制系统测控能 力的变化趋势,在图中以 DCS 的出现为界,将 DCS 以后的时间段称 为网络化控制时代。从严格意义上讲, DCS 没有完全消除点对点的 传统控制模式,还不能属于 NCS 的范畴。但是因为 DCS 最早在控制 系统中引入了计算机网络,奠定了 NCS 进一步发展的基础,从某种 角度上看 FCS 不过是 DCS 中的计算机网络向现场控制层的扩展。基 于以太网的 NCS 的出现在很大程度上是为了使工业控制网络的通信 协议趋于统一。 基于 Internet 和 Web 的 NCS 也不过是 DCS 中的计算 机网络向上层网络的进一步延伸。

图 1-1 控制系统的发展历史及其测控能力

1.2 网络化控制系统的特点

NCS 是控制技术,计算机技术和网络通信技术等共同发展的结 晶。伴随着这些相关技术的不断突破和世界信息化浪潮, NCS 也在 不断的向前发展,不断的进行技术革新。若想给 NCS 一个具体的定 义是很困难的,但可以从各种 NCS 的结构形式中提取到它们的共同 特点,从而展现 NCS 的基本概貌。

1、 控制系统的网络化

这是 NCS 的根本特点,正是由于控制网络的引入,将原来分散 在不同地点的现场设备连接成网络, 才打破了自动化系统原有的信息 孤岛的僵局, 为工业数据的集中管理与远程传送, 为控制系统和其他 信息系统的连接与沟通创造了条件。

2、 信息传输的数字化

数字化与网络化相辅相成,如果网络化是从系统角度描述 NCS 的特点,那么数字化则是从信息的角度描述 NCS 。数字信号的抗干 扰能力强,传输精度高,传输的信息更加丰富,同时数字化进程也大 大的减少了控制系统布线的复杂性。

3、 控制结构的层次化

控制系统的分层结构是引入控制网络后的另一个主要特点。在 NCS 中,对现场层的回路控制和顺序控制、对系统实时监视、参数 调试等任务分别由处在不同层次的不同计算机完成 (比如在 DCS 中, 现场控制层的现场控制站负责底层的回路控制和顺序控制, 过程管理 层的操作员站负责对系统的趋势显示, 实时监视, 工程师站负责完成 回路的组态、调试、下载等) ,每台计算机各司其职,控制层次与控 制任务得到了细分。

4、 底层控制的分散化与信息管理的集中化

这一特点是控制结构层次化的延伸。分层结构确定了 NCS 金字 塔型的整体框架, 在底层 NCS 利用现场控制设备实现了分布式控制, 增强了控制系统的可靠性, 在高层实现了对底层数据的集中监视、 管

理,为上层的协调优化,甚至对宏观决策提供必要的信息支持。 5、 硬件和软件模块化

各种 NCS 的软硬件目前都采用了模块化结构,硬件的模块化使 得系统具有良好的灵活性和可扩展性, 使得系统的成本更低、 体积更 小、可靠性更高,软件的模块化使得系统的组态方便、控制灵活、调 试效率高、操作简单。

6、 控制系统的智能化

该智能化包含两个方面的内容:现场设备的智能化和控制算法与 优化算法的智能化 。一方面,在底层由于微处理器的引入,现场设备 不仅能够完成传感测量、 回路控制等基本功能, 还可以进行补偿计算、 故障诊断等; 另一方面, 在高层 NCS 提供了强大的计算机硬件平台, 为先进的控制算法、人工智能方法、专家系统的使用提供了条件,一 些先进的控制算法软件包(如模型预测控制、模型控制等)已经被开 发并广泛使用, 人工智能、 专家系统也开始用于操作指导、 优化计算、 计划调度、科学管理等各个方面。

7、 通信协议的渐近标准化

通信协议的标准化意味着系统具有良好的开放性、 互操作性。 在 互联网中, TCP/IP已经成为标准协议; 而在控制网络中, 传统的 DCS 系统各成体系, FCS 尽管已经达成了国际总线标准, 但总线种类仍有 10余种,甚至于工业以太网也出现了多种不同的国际标准协议,因 此通信协议标准的统一必将是一个漫长的过程。

1.3 网络化控制系统的理论、技术及工程应用

NCS 的出现给传统的控制系统带来了深刻的变革,它具备一系 列的优点:可实现资源共享与远程监控、远程诊断,交互性好,减少 了系统的布线, 增加了系统的柔性和可靠性, 安装维护方便 等。 同时, NCS 的出现对于传统的控制理论、技术与工程应用也产生了深远的 影响。在理论上,网络规模的不断扩大,网络本身的服务质量问题、 拥塞问题等也变得越来越突出,给控制理论的研究带来了新的问题, 而由于网络通信中不可避免的存在传输延迟、 数据包丢失等问题, 这 也给传统的控制理论提出了新的挑战;在技术上,自动控制技术、计 算机网络技术和通信技术的结合为网络化控制技术的发展提供了无 限广阔的发展前景和挑战。 NCS 本身由于不断的吸取相关信息技术 的最新成果而不断取得创新、突破和发展,是的 NCS 的硬件、软件 和网络组成的发展日新月异;在工程应用上, NCS 的出现彻底改变 了传统控制工程单一控制回路信息的封闭性, 网络化控制工程中出现 了新的内容、特点与优势。

1.3.1 网络化控制系统的理论研究

在对系统进行分析和综合时, 传统的控制理论往往做了很多理想 化的假定, 如信息在网络传输中正确无误、 计算延迟和传输延迟远远 小于采样周期等。然而在 NCS 中由于控制回路中网络的存在,上述

假定通常是不成立的。 因此, 传统的控制理论需要重新评估才能应用 到 NCS 中。

目前, NCS 的理论研究主要有两大分支:一个是源于计算机网 络技术以提高多媒体信息传输和远程通信服务质量 (Quality of service, QoS )为目标;一个是源于自动控制技术以满足系统稳定及动态性态 (Quality of Performance, QoP) 为目标。 前者的研究对象是网络本身, 后者的研究对象是网络传输环境下的被控系统。 前者的评价指标包括 网络吞吐量、数据传输率、误码率、时延可预测性和任务可调度性, 研究内容是围绕着网络的 QoS, 从网络的拓扑结构、任务调度算法、 网络拥塞控制等不同角度, 运用运筹学和控制理论的方法, 提出解决 方案, 以满足控制系统的实时性要求, 同时减少网络时延和时延的不 确定性;后者的评价指标包括系统的稳定性、快速性和准确性等,研 究内容围绕着系统的 QoP , 在现有的通信网络基础上, 即以网络的拓 扑结构、通信协议和时延特性为已知条件,针对 NCS 存在的时延丢 失等基本问题, 建立系统模型, 研究闭环系统的稳定性与控制器的综 合方法,以保证系统具有良好的稳定性和高质量的控制性能。

1.3.2 网络化控制系统的技术发展

控制技术、计算机技术和网络通信技术是 NCS 产生和发展的技 术基础和重要动力,是决定 NCS 从无到有不断变革、创新的关键因 素。 NCS 正是通过不断吸取相关技术的最新成果,直接推动 NCS 从 DCS 控制系统、 FCS 控制系统、工业以太网控制系统、基于 Web 及 Internet 的远程控制系统的发展。

1、 综 合 利 用 网 络 通 信 技 术 形 成 的 数 据 高 速 通 路 (Data Highway,DHW )是网络化控制系统的一项核心技术突破, DHW 又进 一步推动了操作员站、工程师站和控制器等出现分化。

2、随着分布式软件技术的发展以及网络通信技术的推动,软件 由 DDC 的集中监视软件体系结构逐渐分化为现场控制软件、操作员 软件、工程师软件,出现了工程师组态、下装、在线网络调试的技术 方法,出现了专门负责通信的软件功能模块。

3、 网络化控制系统的另一项核心技术突破是引入了局域网技术, 按照网络节点的概念组织过程控制站、 中央控制站、 系统管理站及网 关, 并遵循开放的系统参考模型 (Open System Interconnect Reference Model,OSI ) 7层通信协议,符合国际标准。

4、针对不同的功能设置了多个专用的功能节点,如为了解决大 数据量的全局数据库的实时数据处理、 存储和数据请求服务, 设置了 服务器;为了处理大量的报表和历史数据,设置了专门的历史站等。 出现了网络实时数据库与相应的网络通信软件, 实现与其他节点的信 息和运行协调。

5、控制系统最底层的现场控制器和现场智能仪表互连采用实时 控制通信网络, 它遵循 ISO/OSI开放系统互连参考模型的全部或部分 通信协议(层)以及现场总线系统形式,即信息传输的数字化、控制 结构的分散化、现场设备之间的互操作化、技术和标准的全开放化。 6、在网络方面,各个厂家以普遍采用了标准的网络产品,工业 控制网络逐渐开始采用新型工业以太网, 物理层和数据链路层采用了

以太网和在以太网之上的 TCP/IP协议,按照工业控制的要求,开发 了适当的应用层协议,使以太网和 TCP/IP技术延伸至现场层。 7、 Internet 技术的使用和迅速发展,使得企业网——现场总线的 两级结构越来越受到 Web (环球网)技术的冲击 , 出现了基于 Internet 和基于 Web 的远程实时监控系统 . 运用嵌入式 Internet 技术 , 将以太网 接口、 TCP/IP协议等直接内嵌在现场设备中, 从而产生了基于 TCP/IP协议的网络化智能现场仪表(或称其为 IP 传感器 /执行器) 。这种面 向网络的 IP 传感器 /执行器,将传感、信号处理、控制功能、以太网 接口、 TCP/IP协议、实时操作系统(Real-Time Operation System, RTOS )以及小型 Web Server等软、硬件全部封装在一起,使现场设 备成为名副其实的简约 Web 服务器,在 Internet 上通过 IE 浏览器就 可以直接对其进行组态和维护管理。

8、 组 建 对 象 模 型 /分 布 式 组 建 对 象 模 型 /多 媒 体 对 象 技 术 (COM/DCOM/ActiveX) 、 动 态 数 据 通 信 技 术 (Dynamic Data Exchange, DDE ) 、面向过程控制的对象连接与嵌入技术(OLE for Process Control, OPC ) ,实时数据库技术、动态图形显示技术、 Internet/Intranet技术、平台服务技术等直接推动网络化控制系统的相 关软件技术得到进一步的丰富和扩展, 功能逐渐增强; 形成了诸多应 用模块的应用软件系统。 另外由于控制网络与信息网络的集成技术发 展,网络化控制系统的软件进一步层次化,出现了直接控制层软件、 监督控制层软件和高层管理软件。 不同层次结构的软件和硬件一起完 成对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策。

9、工业以太网、 CDMA (码分多址) 、 GPRS (通用分组无线业 务) 、无线局域网、无线广域网等控制网络的技术不断被采用,使得 NCS 不断得到丰富和发展。

从总的趋势来看, NCS 在相关 IT 技术的推动下,正在向更高层 次迈进, 形成一个以相关硬、 软件技术及网络技术支撑下的管理与控 制一体化的综合自动化信息系统。

NCS 具有大系统的共性特征:

(1) 、 规模庞大 。 NCS 中包含的子系统(小系统) 、部件、元件甚多。 通常, 其占有的空间大, 经历的时间长, 涉及的范围广, 具有分散性。 (2) 、 结构复杂 。 NCS 中各子系统、部件、元件之间的相互关系复 杂。通常, NCS 中不仅包含有物,还包含有人,具有“人 -物” 、 “人 -人” 、 “物 -物”之间的多种复杂关系,是主动系统。

(3) 、 功能综合 。通常, NCS 的目标是多样的(技术的、经济的, 生态的,?,是多目标函数) ,因而其功能必是多方面的(质量控制、 经济管理、环境保护、?, ) 、综合性的。

(4) 、 因素众多 。 NCS 是多变量、多输入、多输出、多目标、多参 数、多干扰的系统。有物的因素,有人的因素,有技术因素,有经济 因素,有社会因素等等,具有不确定性、不确知性。

1.3.3 网络化控制系统的工程应用

网络化控制系统的工程应用就是利用 NCS 的系统集成技术构造 整个工业企业的管理与控制一体化的综合自动化系统。 所谓系统集成 就是根据工业企业的需要,适当选择各种 NCS 的软、硬件设备,经

过相关人员的集成设计、 安装调试和应用开发等大量技术性工作, 使 集成后的系统能够满足工业企业对实际工业控制的要求, 建立一个完 整的企业综合自动化系统的过程。 系统集成是主控系统、 智能仪表的 集成;是控制软件、优化软件和软测量技术的集成;是检测、控制、 优化、调度、管理、决策、经营等功能的集成;是实现工厂综合自动 化系统的基础技术。

概括起来说, NCS 的工程应用就是指综合利用信息集成技术, 构建成图 1-2所示的企业 Internet-Intranet-Infranet 的网络结构,实现 分布式的网络化控制系统,对工业生产过程实现检测、控制、优化、 调度、管理和决策,达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全 等过程。

网络化控制系统的出现, 彻底改变了传统控制工程单一控制回路 信息的封闭性与信息孤岛现象, 使得整个系统内数据、 信息的完全透 明, 彻底实现了整个综合自动化系统内控制信息、 管理信息的上行下 达,实现企业管理控制一体化,完成系统的远程监视与控制,实现信 息化带动工业化的目的。

图 1-2 网络化系统的层次结构

1.4 漫谈系统与网络

“系统与网络”是一个比“系统”与“网络”本身更为庞大复杂 的论题,其内容一本书也写不完。鉴于时间关系,漫谈几个零碎片段 和细小侧面,旨在分享。

像系统有科学与工程之分别一样,网络也有科学与工程之分别。 但是, 随着今天高尖技术的迅猛发展。 科学与工程的分界线日益变得 模糊,其中许多概念和内涵说起来亦此亦彼。因此,在这里我们不打 算把科学与工程区分开来.而是笼统地糅合在一起加以描述和讨 论. 并且对其中许多术语不给出明确的哲学或数学定义, 只按常识来 理解并使用。

首先简单回顾一下【系统】这个相当古老的概念。系统一词来源 于希腊语. ,整体由部分组成的意思.称之为系统而不是简单的【全 体】 , 其中就蕴含了亚里士多德所说的 【整体大于部分之和】 的寓意 (而 令人更强调 1+1>2).我国最古老的文献之一《周易》是关于天、地、 人及其相互关系的书,其中的《说卦传》把天地人合称【三才】 ,指 它们构成了整个客观世界。可以理解为今天我们说的【系统】 。后来 在欧洲比较明确和完整地提出【系统】概念和方法的,是熟悉中国哲 学思想的莱本尼兹和歌德。 20世纪中叶,对系统理论和方法发展举 足轻面的人物有庞加莱、 维纳、 冯·诺依曼、 香农等科学家。 特别是, 维纳还从希腊语中引进了一个词 (cybernetics),具有今天我们理解的 系统、控制以及管理的综合含义。

下面将先说说系统科学与工程, 然后再谈谈网络科学与工程, 最 后讨论一下它们之间的一些异同、联系和交互。

1 系统科学与工程

粗略地说, 【系统科学与工程】是一门研究自然界和人类社会中 被称为系统、特别是被称为【复杂系统】的对象的内在特性、结构动 力学和演化规律并开拓其实际应用的一门学问。 其中, 系统科学方面 注重于基础理论和分析方法的探讨,旨在发现和认识各种类型的系 统:系统工程方面则更注重于解决运作和管理中的规划、设计、试验 和制造这些应用技术上的实践问题,旨在利用和改造各种类型的系 统;系统科学与工程的代表性学科是控制论、信息论、系统论——众 所周知,它们既是科学、也是工程,今天已经很难把这两个方面截然

分开。 随着系统科学与工程往纵深和横向多方面的迅速发展, 它们覆 盖的范围已经扩展到包括诸如运筹学、博弈论、自动化、协同学、耗 散结构论、突变论、搜索论、模糊逻辑和人工智能等等,从物种进化 到生物分子的超循环理论, 从天体物理和宇航工程到社会文化和经济 金融的自组织原理,等等,几乎凡是与【复杂】和【大型】相关的自 然和杜会现象, 都可以归纳到系统科学与工程的范畴里来进行讨论和 研究。

稍为回顾一下历史就不难知道,现代的系统科学起源于 20世纪 20年代, 率先由奥地利生物学家贝塔朗菲 (Karl Ludwig von Bertalanffy)所倡导。 同时代的英国军事科学家们提出了运筹学以研究和解决雷达 阵列的理论和应用问题, 开启了实用系统工程学的先河。 工业工程管 理中系统工程的思想萌芽还可追溯到更早的先驱者、 20世纪初的美 国机械工程师泰勒 (Frederick W. Taylor)。他的 《科学管理原理》 一书 在 1911年出版后,工业界就出现了著名的【泰勒系统】模式。 【系统 工程】一词则可能是 40年代在美国贝尔实验室工作的 Edward C. Molina 和在丹麦哥本哈根电话公司工作的 Agner K. Erlanger 首先使 用的.他们在研制电话自动变换机时,意识到要从规划、研发、使用 和工程总体建设上来进行, 同时还提出了排队论原理并应用到电话通 信中。随后,一系列的早期科技革新与突破,特别是 40年代美国贝 尔电话公司发展的通信技术和美国原子弹研制的曼哈顿计划,到 60年代苏美的登月工程等等。 使得系统科学与工程变得十分成熟并获得 长足发展。到 70年代,我国科学家钱学森、关肇直、许国志等人把

系统工程看成是系统科学中直接用来改造客观世界的技术手段, 促成 了 1979年中国科学院系统科学研究所和 1980年中国系统工程学会的 成立。今天,大家耳熟能详的计算机、互联网、基因、激光、纳米等 等高新科技和系统科学与工程之问的相互影响以及它们之问的密切 内在联系就不必细说了。值得一提的是, 1954年,由当时在斯坦福 大学的 《行为科学高等研究中心》 工作的贝塔朗菲和他的同事 Kenneth Boulding Ralph Gerard以及 Anatol Rapoport等几位领军人物发起并组 建了一个国际系统科学学会 (International Society for the Systems Sciences) 。两年后,这个学会便与 1848年创立、现今有约一千万会 员的美国科学促进会(American Association For the Advancement of Science) 结成了联盟。 著名的 《 Science 》 杂志就是这个 AAAS 的会刊。 2 网络科学与工程

网络和系统一样, 无时不在、 无处不在。 网络的概念可以追溯到 古代,但网络的科学研究通常认为是从图论开始的。欧拉 1736年证 明了 Konigsberg “七桥问题” 无解从而建立了现代数学意义下的图论。 关于图论的系统而严格的主要数学理论及其在网络上的成功应用可 以认为是从 Paul Erdos 在 1960年前后发表的深刻研究工作开始 的. Erdos 关于随机网络的生成及演化的奠基性工作形成了后来半个 世纪数学图论的核心。

1998年, 当时的博士生 Duncan J Watts与其导师数力学家 Steven H Storgatz 在《 Nature 》杂志上发表了一篇原创性论文.在随机网络 基础上引人了小世界网络模型,描述了从规则网络到随机网络的过

渡。 小世界网络既具有与规则网络类似的高群集性态, 又具有与随机 网络类似的短路长特征。 1999年,物理学家 Albert-Laszlo Barabasi 和他的博士生 Reka Albert 在《 Science 》上发表了另一篇开创性的文 章, 指出许多现实世界中的网络的连接度分布具有幂律形式。 由于幂 律分布没有明显的特征长度, 该类网络又称为无标度网络。 这两篇奠 基性的论文触发了国际上全面研究复杂网络的热潮. 这个领域随后十 年中的发展成果和现状,在 Mark E. J . Newman 2010年 772页的新 书《 Networks :An Introduction 》中有一个很全面的介绍和总结,其 中也介绍了 2006年获得世界数学家大会应用数学最高奖 (Nevanlinna Prize) 的 Jon M. Kleinberg 的小世界模型及其搜索算法.

【复杂网络】是相对于简单的规则网络 (如星形、环形、格子、完 全连接网络等 ) 而言的、具有非平凡的拓扑结构(即相对稀疏但却纵 横交错连接而成 ) 的网络。如果不对其中的节点和连边赋予物理意义 的话。 它们就描述了包括从大型规则图到随机图、 特别是在它们中间 过渡的各种各样的非规则数学图的全体。 【复杂】这个词在这里一般 而言具有多重意义:首先 是指节点之间连接方式的多样性——特别是 随机、 小世界、无标度连接; 其次 是指节点本身作为一个动力系统其 个体行为的多样性——特别是高维、非线性、分形混沌等特性:更重 要的是指这些动力学节点通过不同方式连接起来以后所表现出来的 整体行为的多样性 —— 特别是自适应、自演化、自组织、自同步、自 涌现。

和 21世纪同时起步,我国学术界近十年来开展了越来越广泛也

越来越深入的关于复杂网络的学术和应用研究。 可以说, 我国复杂网 络研究工作的铺开和发展基本上是与世界同步的。 这个新领域的研究 人员主体来自数学图论、统计物理学、计算机网络、电子工程、结构 力学、生态系统、队及军事、经济和社会科学。主要研究对象涉及计 算机网络 (特别是互联网 ) 、通信网络、传感网络、电力网络、生命科 学网络 (如大脑神经网络、细胞网络、蛋白质交互作用和折叠网络、 生态网络 ) 、社会网络 (如疾病传播网络、科学家合作网络、商业竞争 与合作网络、语言和音乐网络、人类社会动力学网络 ) 。主要的研究 手段是计算机模拟、 数学图论、 统计物理学方法、 社会网络分析方法、 通信数据流分析方法. 以及系统控制论方法。 研究内容主要包括网络 的代数与几何性质、 网络的形成机制和演化规律、 网络的建模和性能 分析以及网络的动力学特性和结构稳定性等问题。 网络研究的基本测 度包括节点的度及其分布和相关性、 群架结构及其程度和特征、 最短 平均路径长度、连接度、核数、介数、相配程度,以及它们的一些重 要的统计分布; 这些特征量从不同的角度反映和刻画了复杂网络的拓 扑和动力学性态。

复杂网络一开始是以科学的名份而被加以研究的, 但是近年来则 开始显露出其向工程技术扩展的倾向。 【网络科学与工程】的名称首 先在 2009年 9月由美国普林斯顿和麻省理工等十所著名高校联合组 成的【美国网络科学与工程委员会】和他们提出的一个专题报告“网 络科学与工程研究线图” :这个专有名词的出现表明,就像系统科学 多系统工程两者不可截然分割一样, 今天大家亦有一个共识:网络科

学与网络工程也是不可严格分家的。

3 系统与网络的异同和交互

【系统】与【网络】毕竟不是同义词:虽然相似,却不相同。应 该说,它们谁也不包含谁,谁也不取代谁。一方面,一个网络可以理 解为是一种特殊的系统, 而且几乎所有系统里面都包含有多种不同性 质的网络;另一方面,一个网络也可以是许多系统的联结。在后一种 情况下, 虽然整个网络可以被看成是一个更大的系统, 但是把它看成 是网络则能更清楚地表达这个大系统 内部连接的骨架和脉络 。 系统与网络的研究有许多共同之处:它们都基于物理原理并借助 于数学手段来进行建模、识别、分析、控制,并且一般都采取局部和 分散式处理 (包括设计、调整、管理、优化 ) ,但最终关心的都是全局 和整体行为 (例如稳定性、收敛性、同步性、协调性、一致性,特别 是自适应、自组织和大范围涌现 ) 。在传统的系统科学领域里 (控制论 与自动化、运筹与管理、规划与优化等 ) ,对系统的研究有一个通用 的框架——状态空间理论;类似地,在网络科学领域里 (拓扑建模与 演化规律、社团结构与功能袭现、统计数据与实证分析等 ) ,对网络 的研究也有一个通用的框架——图论。 此外, 在很多情况下两者都可 以用耦合的高维微分方程从数学上来加以刻画和做出分析. 并用统计 物理方法的手段来给予描述和进行仿真。

但是, 系统与网络研究的差异也很明显:系统强调外部整体, 网 络强调内部结构 。 一般来说,相对于系统而言,网络研究更注重多尺 度下的性能和表现——因此, 阈值以及多尺度的识别和选择显得特别

重要 (例如:网络局部结构明显影响网络连接矩阵的特征值,从而影 响网络同步,但对网络整体的统计特性影响却很小 ) 。另外,网络研 究特别注重拓扑结构特征:社团结构、层次结构、内部相关性 (例如:群集、模块、核心、枢纽、流量与带宽、拓扑适配性 ) 。还有,两者 的研究方法和视角也有许多不同:系统科学侧重于整体表述、 整体行 为、整体设计、整体功能.而网络科学则更关心局部特性如连接度、 内部相互作用、子群之间的竞争与合作。以及内部自组织、演化、涌 现、突变,等等。一般来说,网络科学比系统科学更加重视演化的过 程。

科学研究关心的通常是复杂系统而不是简单系统, 是复杂网络而 不是简单网络。 复杂系统和复杂网络都是规模巨大、 错综缠绕、 动态 演变、 内部外部息息相关并且互相影响的实体 。 而且一般都是难以预 测和控制、 甚至难以精确表达的对象。 对它们的研究使得通常的所谓 【复杂性】研究变得更加具体. Barabasi 在 2009年《 Science 》中关 于无标度网络研究十年之总结与展望的一篇文章里的最后一句话很 精辟:“ Interconnectivity is so fundamental to the behavior of complex systems that networks are here to stay. ”换句话说, 只有深入探讨复杂 网络的内在关联结构及其对网络整体的影响才能深刻理解复杂系统 的各种宏观行为和表现 。这句话也可以用来总结我这个段落的论题:系统与网络的异同和交互 。 最后, 作为介绍的小结. 我想简略地提及 一下:在系统与网络的科学研究及其工程应用中, 还存在若许多重要 而又极具挑战性的课题。 例如, 网络拓扑结构有图论作为统一的数学

框架和工具去进行研究。 那么网络动力学是否也具有普适性的、 区别 于单个动力系统的框架和分析方法呢 ? 网络结构与功能的研究如何深 人发展 (结构如何影响功能, 功能又如何影响结构 )? 以及 【网络的网络】 应该如何进行建模、 分析和研究 ?(例如:【物联网】 (Internet of Things)的概念就是一个由通过传感器网络以互联网为基本构架而把交通网、 电力网、物流网等多种性质很不一样的网络组成的网络 ) 。

大系统理论是系统科学中的重要组成部分, 与源于计算机科学中 的人工智能相结合的基础上产生了“大系统控制论” ,是“控制论” 学科的新发展; 大系统的优化 是其所要研究的问题。

“大系统控制论”从控制论的观点,以工程技术、社会经济、生 态环境各领域复杂大系统为对象, 利用复杂网络理论研究控制、 管理 的共同规律和大系统中局部与整体的相互作用及其演化进程, 是关于 大系统的建模、分析与综合的理论方法与技术的新学科。

希望再过一个十年以后, 我们能得到一些哪怕是不完全的答案— —该希望寄托在今天的年轻人身上。

参考文献:

1、 《 网络控制系统分析与设计》 , 王岩 孙增圻 编著 清华大学出版社。

2、 《网络化控制系统—理论、技术及工程应用》孙德辉 史运涛 李志 军 杨 扬编著 国防工业出版社。

3、 《现场总线控制系统的设计和开发》 邹益任 马增良 蒲维 编著。

4、 《 多目标决策的理论与方法》 徐玖平 李军 编著 清华大学出版社。

5、 《 复杂网络理论及其应用》 汪小帆 李翔 陈关荣 清华大学出版社。

6、 《 控制理论导论—从基本概念到研究前沿》 郭雷主编 科学出版社。

7、 《论系统工程》 (新世纪版) 钱学森等著 上海交通大学出版社。

8、 《大系统控制论》 涂序彦 王 枞 郭燕慧 著 北京邮电大学出版社。

9、 《控制网络技术》郑文波编著 清华大学出版社。

10、 《自动化系统计算机网络》吴秋峰主编 机械工业出版社。 11、 《复杂非线性系统的模糊控制》 王迎春 杨 珺 杨东升 著 科学 出版社。

12、 《面向工程的混沌学—理论、应用及控制》 (第 2版) Tomasz Kapitaniak 著 国防工业出版社。

13、 《系统科学与复杂网络》 许晓鸣 陈关荣 主编 上海系统科学出 版社。

14、 《最优化理论与方法》 袁亚湘 孙文瑜 著 科学出版社。

15、 《运筹学》 (修订版)钱颂迪主编 清华大学出版社。

16、 《软件网络》何克清等著。科学出版社。

17、 《复杂系统与复杂网络》何大韧 刘宗华 汪秉宏 编著。高等教育 出版社。

18、 《博弈论》 (美)朱·弗登博格 (法)让·狄诺尔 著。中国人民 大学出版社。

19、 《混沌及其应用》 (第二版) 黄润生 黄浩 编著。 武汉大学出版社。 20、 《混沌控制、同步的理论与方法及其应用》罗晓曙 著。广西大学 出版社。

21、 《爆发》 (美)艾伯特 -拉斯洛·巴拉巴西著。马慧译。中国人民

大学出版社。

范文三：网络化监督与控制系统实验

网络化监督与控制系统实验

在 Controx2000组态软件的平台上,用脚本语言开发仿真 PLC 的功能的单元,由一个 或多个功能单元组成代表下位计算机的模块, 便可以用内存变量对其进行监控, 对学生学习 组态软件的编程有帮助。同时也可用在实际系统开发中,有利于提高所开发系统的正确性。 实验一 利用 PLC 控制电机转动

1、 实验题目 :利用 PLC 控制电机转动

2、 实验目的 :通过实验认识 PLC ,掌握 PLC 的编程方法和工作原理。

3、 实验要求 :对 PLC 编程控制电机的正向转动,反向转动和停止。

4、 实验讲解 :在实验设计中我们选择的是日本欧姆龙公司的型号为 CPM1A 的 PLC ,点数 为 20点, 12个输入点,地址为 00000~00011; 8个输出点,地址为 01000~01007。观察 实验箱的 PLC ,在 PLC 的两侧分布有两排指示灯一侧 8个代表输出,一侧 12个代表输 入,对哪个输入输出操作指示灯就会亮。 PLC 中间还有四个指示灯,分别是“ POW ”电 源指示灯接通电源就会亮; “ RUN ” 当 PLC 在运行程序的时候指示灯就会亮; “ ERROR ” 是错误指示灯, 当灯闪烁时说明 PLC 检查出操作员的错误操作, 但是不影响程序的运行, 改正后灯就会灭;当灯一直亮的时候, PLC 内部出现错误,停止程序的运行,这可能是 程序的问题也可能是硬件的问题, 如果是程序的问题改正程序或重新载入一个正确的程 序灯就会灭。 如果是硬件的问题无论怎么操作灯都是亮的就必须进行硬件维修。 “ COM ” 是 PLC 与外部设备通信的指示灯,当向 PLC 内写程序或进行数据传输时灯会亮。 PLC 外接了一个实验箱,该实验是对电机模块进行控制,电机带动一个转盘转动。 该电机的工作原理是:如果给电机的正传和反转两个状态附值。如图 1真值表所示:

图 1:控制电机正反转真值表

要想让电机正转只要正转输出为 1反转输出为 0, 要想要电机反转正传输出和反转输出 必须都为 1。也就是说反转必须建立在正转的基础上,不能一开始就反转,要想启动反 转必须先启动正转。

图 2:PLC 梯形图

实验箱接线:INPUT00接 PO1按键控制电机正向转动

INPUT01接 PO2按键控制电机反向转动

INPUT02接 PO3按键控制电机停止

OUTPUT00接 DJTD 电机正转输出

OUTPUT01接 DJZF 电机反转输出

附 :CX-Programmer 是一个 WINDOWS 环境下欧姆龙 PLC 的编程软件,在这里介绍一下它 的使用方法。点击开始菜单——程序—— SYSMAC_CPT弹出界面对话框,点击 OK 进入主 界面,如图 1所示:

图 1:SYSMAC_CPT主界面

点击文件菜单新建一个窗口,选择 PLC 的类型和点数。如图 2所示:

图 2:PLC 新建工程对话框

工程建立好就出现了画梯形图的界面,如图 3所示:

图 3:编写程序主界面

例如:画一个常开触点,点击 ,将光标移动到对话框里点击即可,如图 5所示:

图 4:常开触点信息对话框

填写完按回车地址就显示在触点上,画好后要将计算机与 PLC 连接,点击 PLC 在下拉菜单 中选择, “在线工作” 。如图 8所示:

图 8:PLC 与计算机连接

连接完成,选择传送到 PLC 将程序传入 PLC ,如图 9所示:

图 9:将程序传送到 PLC

根据提示传输完毕后, 选择 RUN 执行程序。 如果梯形图有错误在传输中会提示错误的行数, 便于进行修改。

图 10:PLC 设置运行模式

运行完程序点击再点击菜单 PLC 的“在线工作”断开与计算机的连接。如图 10所示:

实验二 利用 Controx 2000组态软件仿真电机转动

Controx 2000是一种监督控制与数椐采集(SCADA Supervisory Control And Data Acquisition )的组态软件;在国内众多的 SCADA 组态软件中,它支持的设备众多,尤其是 具有支持 OPC 设备功能,在界面设计方面能使用图元、符号、单元、插件等,对于每个图 形对象都有基本属性, 动画属性和事件属性供用户配置其动画功能, 在事件处理方面更可通 过用脚本语言编程能实现复杂的事件动作功能,使用 Controx 2000可设计复杂且美观的界 面,构成分布式计算机控制系统十分方便,已在许多领域得到广泛应用。

Controx 2000的具体功能在前书中已经清楚地介绍了,这里我们仅对实验二进行解析。 这个实验仍然是要实现实验一的效果, 只不过是通过组态软件实现对电机转动的控制。 该实 验是通过软件实现,所以在这里我们主要的介绍动画操作和控制图形元素的脚本语言。

1、 实验题目 :利用 Controx 2000组态软件仿真电机转动

2、 实验目的 :能过通过实验,大致掌握 Controx 2000组态软件的操作,理解其工作原理。

3、 实验要求 :实现用 Controx 2000组态软件对电机的仿真,控制电机的正向转动,反向转 动和停止三个状态,记录累计转动角度。动画设计要美观,可以根据自己的想法增添功 能。掌握 Controx 2000组态软件操作步骤和方法。

4、 实验讲解 :

首先,双击开发环境的图标,打开开发环境的界面。如图 1所示:

图 1:开发环境界面

打开界面后, 需要建立开发环境的应用系统即建立一个工程, 点击文件菜单中的新建, 弹出 图 2窗口,点击工程图标,在新建工程的对话框中输入工程的名字和路径。如图 3所示:

图 2:新建对话框 图 3:新建工程对话框

工程建立完成,开发环境的界面就会变成图 4,出现“电机控制系统” 。

图 4:硬件系统窗口

接下来需要硬件配置, 建立节点和设备。 我们可以模仿上面的方法从文件菜单中新建, 也可 以右键点击“电机控制系统”新建节点。如图 5所示:

图 5:新建节点

如图 6,定义好新节点名和节点类型:在定义节点类型的时候要注意节点类型指明了本计算 机的功能,鼠标左键点击白色方框,出现

处理

图 6:节点设置对话框 图 7:节点设置完成

如果我们要利用组态软件与其他外部设备进行通信的时候, 接下来就需要建立设备, 由于实 验二是一个纯软件的仿真实验, 所以我们用系统的设备 memory 就可以了, 不需要建立其他 设备。至于需要建立什么设备,怎么建立,在实验三中详细介绍。

下一步是标签的建立, 如图 8所示。 标签变量作为 controX2000通用监控软件与外部硬 件设备进行数据交换的工具, 其数值的变化实时地反映了控制现场的实际变化情况。 通过标 签对变量的编辑, 可以完成 controx2000与外部控制器之间通讯的相关变量以及其他类型变 量的参数设置。 进而实现对现场相关采集数据的转换、 分析运算、报警以及存储记录等。 实 验中要实现电机正向转动, 反向转动和停止三个状态, 还需要能读出转动角度。 controx2000为我们提供了三种标签变量类型, 分别是模拟量变量:用于表示计算机节点与采集和控制设 备之间交换的数值量, 如温度、 压力等值。 在采集和控制设备中该值可以是实数型、 有符号 无符号的整型或长整型数。 在 controX2000中这类变量统一划归为模拟量变量。 开关量变量:用于表示采集和控制设备中的开关量(触点) ,该类变量只有两种结果:是/否(在脚本程 序中表示为 True (非 0) /False(0) ) 。例如:通断电状态,泵的启停。字符串变量:用于表 示采集和控制设备传送的文字信息或状态信息。 如设备类型标识, 故障信息等。 所以我们将 正向转动, 反向转动和停止三个状态定义为开关量, 将转动角度定义为模拟量。 如图 9所示:

图 8:新建标签 添加标签对话框

标签建立完成后接下来就是设置图页, 在图页上画出我们仿真的对象。 右键点击工程栏中的 图页, 新建一个图页, 如图 10所示。 根据提示我们需要就图页的名称大小和颜色进行设置, 如图 11所示:

图 10:新建图页 图 11:新建图页属性对话框

图页定义好就可以利用工具栏里的元素,画出要控制的界面,图 12是一个参考界面。

图 12:图页上的动画界面

重点是怎么对图页中的各元素进行设置。当双击图页上元素时弹出一个该元素的属性对话 框,分别有属性,动画,事件三栏。在本实验主要是让大家学会怎么设置按钮;怎么连接标 签变量的实时状态; 怎样对元素进行动画设置, 例如旋转和移动; 还有就是对脚本语言的编 写。

按钮的设置 :这个是图页上的一个按钮,使用来控制电机正向转动的按钮,即 当他按下电机的箭头就开始转动。 相当一个电机上的开关, 在前面设置标签变量将正向标签 定义为开关量。 controX2000中的按钮有普通按钮,保持按钮,打开菜单按钮等十种,我们 就可以根据其作用在属性按钮类型中选择。 既然按钮是控制元素状态, 就需要写其控制语言。 在按钮属性中有按键按下, 按键抬起, 按键按住, 和扫描四种状态, 编写脚本语言来控制各 元素。如图 13所示:

图 13:按钮属性对话框 点击按键按下弹出一个编写语言的窗口,如图 14:

图 14:按钮脚本语言对话框 点击

打开标签变量的列表,选中你要用的标签,再点击 即可将要写的变量写在你的

语言栏中,必须按照其语法要求编写,否则无法通过编译。写完后按 编译语言,编译通

过时按 保存。在本实验中按下按钮使电机转动。就需要给正向 .V alue 附值为 1,其余的 开关变量附值为 0。 “ :=”是表示“附值” , “ =”表示“等于”在编写时要注意,一句话写完 要用分号结束。如下程序为:

正转 .V alue :=1;

反转 .V alue :=0;

停止 .V alue :=0;

反向和停止两个按钮设置同理。

反向按钮程序:反转 .V alue :=1; 停止按钮程序:正转 .V alue :=0;

停止 .V alue :=0; 停止 .V alue :=1;

正转 .V alue :=0; 反转 .V alue:=0;

实时显示标签值 :点击 在图页上按住鼠标左键一拖,就可以画出一个文本窗口,双击同

样 弹 出 一 个 属 性 窗 口 , 在

:

。当要显示标签值时,即可以记录开关量的状态,也可以记录模拟量的 数值变化。方法是在属性对话框中的动画栏中有一个“标签量示值” ,点击弹出一个窗口如 图 15:

图 15:标签量示值对话框

表达式窗口是用来填写你读取的标签变量的名称。设置与图形对象相链接的变量及其值属 性。 可以直接单击编辑栏后的按钮, 在弹出的变量选择框中选择所需的变量, 或者直接在编 辑栏中输入变量名称和其值属性。对于显示模拟量数值时里面设置了显示的位数和精确度 等。对于开关量可以显示开关量两个状态的标识值。“ 1”、“ 0”或“ on ”、“ off ”等可 以自己定义。 这样定义好就可以在运行时显示出该标签变量的状态, 如果显示的状态和要求 的不一样,也方便检查错误。显示累计角度,反向和停止按钮对应的显示设置同理。

图 16:电机控制台分布

旋转的动画设置 :双击要控制的箭头 弹出属性对话框,在动画栏中有水平移动,垂

直移动,水平缩放,垂直缩放,旋转,可见性,百分比显示的动画属性设置。这里我们详细 介绍旋转。点击旋转按钮,弹出旋转属性对话框,如图 17所示:

图 17:旋转动画属性对话框

左边值:设置图形对象旋转到最小角度时, 与图形对象相链接的变量的值。 直接在编辑栏中 输入数值。值的范围为与图形对象相链接的变量的最小量程值到变量的最大量程值。 右边值:设置图形对象旋转到最大角度时, 与图形对象相链接的变量的值。 直接在编辑栏中 输入数值。值的范围为与图形对象相链接的变量的最小量程值到变量的最大量程值。 左边偏移:设置图形对象以原点为中心向左旋转的最大角度。 直接在编辑栏中输入数值, 以 度为单位。

右边偏移:设置图形对象以原点为中心向右旋转的最大角度。 直接在编辑栏中输入数值, 以 度为单位。

原点:设置图形对象用于旋转的原点坐标。 'X='编辑框中用于输入原点的横坐标值。 'Y='编 辑框中用于输入原点的纵坐标值。重要是找到旋转的中心坐标。

允许输入:选中此项后, 在系统运行过程中, 当操作员用鼠标双击此对象后, 将弹出一输入 对话框, 允许操作员从键盘直接修改与此对象相链接的变量的值。 此选项没有选中时, 则在 系统运行时不可以改变变量的值。

允许回绕:当图形对象的偏移角度定义为 360度时, 此选项有意义。 选中此选项后, 在系统 运行时,当对象旋转到 360度后,允许图形对象重新从 0度开始继续旋转。

长度:与 ' 允许输入 ' 配合使用,当选中 ' 允许输入 ' 时,此项用于设置当系统运行时从键盘输入 数值的最大位数。 如为小数则包含小数点及小数点后的数字。 直接在编辑栏中输入长度数值。

图页变量:点击 按住鼠标左键一拖即可画出一个图页变量 ,图页变量也 有属性对话框, 它主要是为控制该图页上的元素编写控制语言的。 一个变量仅在其设置的图 页上有作用, 在其他图页上要新建变量。 每一个图页变量包含 4个模拟量 , 4个开关量 , 2个字 符串;

. avalueX (模拟量数值 ,X 为 0~3. 对应 4个模拟量 ) 模拟量实数型, 8个字节长度,精度可达 到小数点后的 323位,即 5.0х10-324。取值范围从 -1.7х10308到 1.7х10308。

. dvalueX (开关量数值 ,X 为 0~3. 对应 4个开关量 ) 开关量:真:True : 非 0假:False: 0 . svalueX (字符串 ,X 为 0~1. 对应 2个字符串 ) 最大长度为 254个字节

变量标识符 : 可以是任意字母、汉字 , 数字、和一些特殊符号的组合,最多可包含 255 个字 符。但名称中不能包含任何下列字符:斜线(/) 、反斜线(\) 、大于号(>) 、小于号(<) 、="" 星号(*)="" 、句号(。="" )="" 、问号(?="" )="" 、引号(''="" )="" 、竖线(|)="" 、横线(-)冒号(:)或分号(;="" )="" 。="">

if 正转 .V alue and not 反转 .V alue and not 停止 .V alue then

begin

角度 .V alue:=角度 .V alue + 10;

end

if not 正转 .V alue and 反转 .V alue and not 停止 .V alue then

begin

角度 .V alue:=角度 .V alue - 10;

end

if not 正转 .V alue and not 反转 .V alue and 停止 .V alue then

begin

角度 .V alue:=0;

end

设置好一切准备工作后,点击 保存工程。点击 运行工程。图 18为工程运行的窗口。

图 18:工程运行界面

实验三 实现 Controx 2000组态软件对 PLC 的监控举例

本实验基于前两个实验基础上的综合实验, 实现的是上位机 (计算机) 对下位机 (PLC ) 的控制, 是一个比较典型的上位机与下位机通信的例子。 不是很复杂但是覆盖面很广用处很 普遍,对学生掌握集散控制的原理有很大的帮助。

1、 实验题目 :Controx 2000组态软件对 PLC 的监控设计。

2、 实验目的 :根据上课的知识和前两次实验的基础,能对上位机与下位机通信有一个深入 的理解。熟练掌握 PLC 的编程语言和 Controx 2000组态软件的应用。

3、 实验要求 :在前两个实验的基础上进行修改,实现设备之间的通信。由计算机向 PLC 发命令来控制电机转动。

4、 实验讲解 :实验原理是根据通过组态软件传送数据所构成的计算机监控系统,对于近距 离传输数据的现场控制来说是一种性价比很高的解决方案。 充分的利用的 PLC 的抗干扰 性能和 PC 强大的图形显示,浮点运算的特点,与之有效地结合,最大限度,合理的利 用资源。 PLC 作为下位机与 PC 机通信是通过串口通信的,我们只要设定和监视通信控 件的属性和事件就可以快速准确地实现上位机的串口通信。 下位机 CPM1A 只有 RS-422接口,它不能直接与 PC 机 RS-232端口连接。因此,我们需要给 CPM1A 接入一个从 RS-422到 RS-232转换模块才能实现 CPM1A 与 PC 机 COM 端口通讯。 这种转换器市场 上的产品很多, 不用我们花费时间设计, 但是这是通讯必备的, 试验箱中也配有该设备。 PLC 的设置 :实验一是通过按下实验箱上的按键来控制电机的转动的。 在本实验中是通 过上位机向 PLC 发信息控制电机的转动, 实验箱上的按键就没有作用了。 所以就需要对 PLC 程序进行修改。 在实验一的图 2梯形图中可以看出, 当按下正转启动按钮, PLC 的 输入地址 00000接通使电机正转, 当按下反转启动按钮, PLC 的输入地址 00001接通使 电机反转,按下停止按钮, PLC 的输入地址 00002使常闭触点断开同时电机停止转动。 这些都是通过手动按键来直接控制 PLC 动作, 本实验是要实现不到现场而通过上位机控 制。 就需要用上位机的控制地址来取代 PLC 的地址, 只要上位机对该地址发出信号就可 以使 PLC 的梯级接通达到控制的目的。

PLC 设置 :由于此项功能需要和上位机通信,所以要将 PLC 的模式设置为监视模式。 即在传输完程序后,改变操作模式如下图:设置成功后,务必要断开 PC 机和 PLC 的连 接,提供端口给组态软件通信。

组态软件的设置 :需要对实验二中的设置进行改动,因为在实验二中仅实现一个仿真的 效果,用的设备是 Controx 2000组态软件内部的主设备,而在此实验中需要与 PLC 通 信主设备同样要变为相应型号的 PLC 的设备, 同时地址也应该保持一致。 也就是说在实

验二的基础上,建立完工程和节点后,要增加主设备的建立。如图 1所示:点击新建, 弹出图 2对话框选择设备类型欧姆龙 PLC ,点击选择,出现图 3的配置向导,有新建设 备, 修改设备和察看设备三个选项。 选择新建设备后如图 3选择创建单个还是多个 PLC 本实验是与单个 PLC 通信所以选择“单个 PLC 创建”后如图 3所示要选择 PLC 的型号 CPM1A , 站号在没有改动的情况下都是 0, 接下来配置串口参数一定要注意串口参数的 一致。可以选择通过 COM1 或 COM2通信,其对应的波特率是 9600HZ ,数据位为 7位,停止位为 2位,采用奇偶校验方式。下一步后点击完成即可这样设备就新建完成。

图 1:新建设备 图 2:新建设备对话框

图 3:欧姆龙 PLC 配置向导

因为主设备改变了还需要改动的就是标签的设置, 根据改好的 PLC 的梯形图可以看 出控制的过程不再用 PLC 实验箱的按键是通过地址接收信号, 在设置标签的时候主要对 设备地址的定义, 在修改时要注意标签的地址一定要和 PLC 程序的控制地址相同。 如图 4所示:

图 4:对标签的主设备和主地址设置对话框

选择新建的主设备 NEWDEV010, 主设备地址选择读写 IR 区的地址。 必须遵循 <标签类 型="">[[设备号 :][槽号 ,][通道号 ][.位号 ]]的语法规则。 对于正转这个标签变量它是个开关量, 所以其主设备地址是选择 PLC 的 IR 区的 000通道 00位。如图 5所示:

图 5:标签改动后地址相关设置

由于组态软件和 PLC 都使用 COM1口连接到计算机上,所以先断开 PLC 与计算机的数 据传输,保持空闲等待的状态,再运行组态软件使之连接,这样才能正常的通信。

范文四：球杆系统的网络化控制设计与实现

2011年 9月 第 18卷第 5期

控 制 工 程

Control Engineering of China Sep . 2011Vol．18, No．5

文章编号 :1671-

7848(2011) 05-0688-04收稿日期 :2010-01-21; 收修定稿日期 :2010-02-27作者简介 :罗浩铭 (1984-) , 男 , 湖南衡阳人 , 研究生 , 主要研究方向为网络化控制等 ; 刘国平 (1962-) , 男 , 教授 , 博士生导师 ; 桂卫华

(1950-) , 男 , 教授 , 博士生导师 。

球杆系统的网络化控制设计与实现

罗浩铭 1, 刘国平 2, 桂卫华

1

(1. 中南大学 信息科学与工程学院 , 湖南 长沙 410083;

2. 中国科学院 自动化研究所 , 北京 100190

)

摘

要 :网络诱导时延和数据包丢失 、 错序等问题会严重影响网络化控制系统的性能甚

至使系统不稳定 。 对于球杆系统这样具有开环不稳定和典型的非线性特征的系统来说尤其明 显 。 为了解决这一问题 , 采用网络化预测控制算法 (Networked Predictive Control ,

NPC ) 来设计球 杆网络化控制系统 。 介绍了网络化预测控制算法的设计 , 球杆对象的辨识建模 , 并通过仿真与

实验结果验证了该设计的有效性 。

关 键 词 :网络化控制 ; 球杆系统 ; 预测控制 ; 非线性系统 ; 系统辨识 中图分类号 :TP 27文献标识码 :A

Design and Practical Implementation of Ball-Beam Networked Control System

LUO Hao-ming 1, LIU Guo-ping 2, GUI Wei-hua 1

(1. School of Information Science and Engineering , Central South University , Changsha 410083, China ;

2. Institute of Automation , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100190, China )

Abstract :Random time delay and packet dropout can degrade the performance of networked control systems and even cause system in-stability , especially for the Ball －Beam System of some natures such as instability in open －loop , and nonlinearity．To solve this prob-lem , this paper adopts the networked predictive control (NPC ) method to design the ball －beam system networked control system．The principle of NPC is described , the modeling of the ball －beam system with identification method is explained , and the simulation and experiment results are provided to verify the effectiveness of the proposed design scheme．

Key words :networked control systems ; ball －beam system ; predictive control ; nonlinear systems ; model identification

1引 言

由于在远程及分布式环境下的巨大应用潜力 ,

网络化控制系统 (Networked Control Systems , NCSs ) 已经成为国际控制界的一个热点研究领域 。 在传统 控制系统中引入通信网络带来了许多便利 , 同时也 带来了一些缺陷 , 主要包括网络诱导时延 、 数据包 丢失 、 数据包错序等 。 这些新的特性使 NCSs 与传 统控制系统有了很大的差别 , 在大多数情况下 , 会 降低控制效果 , 甚至造成系统不稳定 。 为了分析和 解决这些问题 , 控制 、 通信 、 计算机等各个领域的 研究者提出了一些新的方法 , 如随机最优控制 、 模 糊逻辑控制 、 基于事件的控制 、 增益调度 、 数据包

丢失分析和混合控制等

[1-9]

。 另外 , Liu 等提出并发 展了网络化预测控制 (Networked Predictive Control ,

NPC ) 的思想 , 作者考虑了数据包丢失的情况 , 所 获得的预测控制器实现了对随机网络诱导时延的补 偿

[10-12]

。 但是对于目前的大多数控制算法 , 基本上都停

留在仿真阶段 , 实际应用的例子较少 , 特别是对于 具有开环不稳定和明显非线性的对象 , 缺乏实际应 用的验证 。 本文主要的内容是利用网络化预测控制 对实际的球杆系统进行控制 , 利用仿真和实验结果 证明了网络化预测控制在复杂网络环境下控制复杂 系统的有效性 。

2球杆系统及模型辨识

本文的整个系统由中国科学院研发的 NetCon 网络化控制器 , 深圳德普施公司生产的球杆系统 , 和 PC 构成 。 球杆系统包括伺服驱动器 , 伺服电机 和球杆机械部分 。 软件环境为 Matlab /Simulink和 NetConTop 网络化控制组态软件 。

网络化预测控制的控制效果与被控对象模型的 准确性有极为重要的关系 。 而球杆系统的准确建模 是一个比较困难的问题 。 本文通过实验 , 发现球在 球杆某一点 1. 5cm 的邻域内运动时 , 若用一个二

阶离散传递函数来表示此点的球杆模型 , 可以很好 地吻合小球在此该点附近的实际运行轨迹 。 所以在 球杆的输出为 4, 6, 8V 处辨识出模型 , 然后在球 杆运行到相应位置时 , 进行模型切换 , 可以保证球 杆模型的准确性 。 具体的辨识算法为如下的带遗忘 因子的递推最小二乘法 :

^θN +1=^θN +K N +1(y N +1－φT N +1θN )

(1) K N +1=P N φN +1(α+φT N +1P N φN +1)

－1(2)

P N +1=P N α－P N

α

N +1(α+φT N +1P N φN +1) －1

φT

N +1P N

(3)

式中 , 0＜α＜1, 为遗忘因子 ; ^θ

N 为参数向量估计 值 ; φT

N +1为 观 测 输 出 值 与 观 测 输 入 值 组 成 的 矩 阵 [13]。

传感器端获得 y N +1和 φT

N +1后 , 发送至控制器

端的辨识模块选择出参数 ^θ

N =[a 1, a 2, b 0, b 1, b 2]T 送入控制器中用来计算预测控制序列

[13]

。

3网络化预测控制系统设计

系统可分为控制器端和执行器端 。 控制器端主

要是网络化预测控制序列生成器 ; 执行器端主要是 网络补偿器和数据缓存器 。 传感器端将采集到的过 去的对象输入信号和对象输出信号送到数据缓存器 中 , 由网络发送至控制器端 , 控制器接收到数据 后 , 计算出未来 N 步预测控制量 , 打包发送到执行 器端 , 由网络补偿器根据时延与丢包情况从中选择 出某一步预测控制量 , 输入到控制对象中 , 由于此 控制量生成时已考虑到时延等作用 , 所以可以有效 地补偿网络的影响 。 一个完整的网络化预测控制框 图 , 如图 1所示

。

图 1网络化控制系统结构

Fig. 1The networked control system

1) 预测控制序列生成器 考虑如下的 SISO 系

统 :

y (k +1) =B (z －1)

A (z －1)

u (k ) (4)

式中 ,

A (z －1) =1+a 1z －1+a 2z －2+… +a a n z －a n ; B (z －1) =b 0+b 1z －1+b 2z －2+… +b b n z －b n 为系数多项 式 ; u (k ) 为控制器输出 ; y (k ) 为控制对象输出 。 令控制器的离散传递函数 , 如下所示 :

u (k ) =D (z －1)

C (z －1)

(r (k ) －y (k ) )

(5) 式 中 ,

C (z －1) =1+c 1z －1+c 2z －2+… +c c n z －c n , D (z －1) =d 0+d 1z －1+d 2z －2+… +d d n z －d n 为系数多 项式 ; r (k ) 为参考输入 ; y (k ) 为对象输出反馈 ; u (k ) 为控制器输出 。

令 u (k +i |k ) 表示基于 k 时刻之前的输入输出 做出的对 (k +i ) 时刻的预测控制量 。 令 τca , τsc 分别代表控制器端到执行器端的时延 , 和传感器端 到控制器端的时延 。 可知在 k 时刻 , 控制器端收到 从传感器端传过来的对象输入输出数据应为

U (k －τsc ) ={u (k －τsc ) , u (k －τsc －1) , …

u (k －τsc －a n ) }(6) Y (k －τsc ) ={y (k －τsc ) , y (k －τsc －1) , … y (k －τsc －b n ) , }(7) 控制器端有 :

u (k －τsc |k －τsc ) =(1－C (z －1) ) u (k －τsc |k －τsc ) +D (z －1) (r (k －τsc ) －y (k －τsc |k －τsc ) ) (8) 根据对象模型 , 可知 :

y (k －τsc +1|k －τsc ) =(1－A (z －1) ) y (k －τsc +1|k －τsc ) +B (z －1) u (k －τsc |k －τsc ) (9) 相应的有 :

u (k －τsc +1|k －τsc ) =(1－C (z －1) ) u (k －τsc +1|k －τsc ) +D (z －1) (r (k －τsc +1) －y (k －τsc +

1|k －τsc ) )

(10) 依此可得递归算法 :

y (k －τsc +i |k －τsc ) =(1－A (z －1) ) y (k －τsc +i |k －

τsc ) +B (z －1

) u (k －τsc +i －1|k －τsc )

(11)

u (k －τsc +i |k －τsc ) =(1－C (z －1) ) u (k －τsc +i |k －

τsc ) +D (z －1

) (r (k －τsc +i ) －y (k －τsc +i |k －τsc ) )

(12)

式中 ,

i =1, 2, 3, … , N －1。 通过计算可以得到 N 步预测控制序列 :U ={u (k －τsc |k －τsc ) , u (k －τsc +1|k －τsc ) , … ,

u (k －τsc +N －1|k －τsc ) }(13)

这样预测控制序列生成器就生成了需要的控制

序列 , 然后通过网络传送到执行器端 。

2) 网络时延补偿器 本文是基于网络回路时

延 (Round-Trip Time delay , RTT delay ) 来进行时延 补偿的 。 补偿分为以下 3步 :

Step 1接收预测控制序列 。

Step 2计算 RTT 时延 :τ=τsc +τca =(t －t s )

T s

。

Step 3选择控制量 控制量应选择接收到的 预测控制序列中的第 τ个控制量 。 例如执行器端接 收到的 N 步预测控制序列为

0→ u (k －τsc |k －τsc )

1→ u (k －τsc +1|k －τsc ) 2→ u (k －τsc +2|k －τsc )

…

τ→ u (k －τsc +τ|k －τsc )

τ+1→ u (k －τsc +τ+1|k －τsc )

…

N －1→ u (k －τsc +N －1|k －τsc )

则选择 u (k ) =u (k －τsc +τ|k －τsc ) , 作为当前 时刻控制量 。

3) 数据缓存器 数据缓存器的主要作用是将 当前及过去若干采样周期所采样得到的被控对象输 入输出数据作为一个向量通过网络发送到控制器 端 , 例如 , 如式 (11) , 式 (12) 所示的输入输出向量 进入缓存器中 , 在控制器端被用来生成预测控制序 列 。

缓存向量的维数取决于对象模型的阶次和控制 器的阶次 。

4仿真与实验结果

为了验证本文所设计的球杆控制 NPC 效果 , 这一部分给出了仿真与实验结果 。

当执行器在一个周期内未接收到数据时 , 通常 有两种方法来确定控制量 , 一种是使 u (k ) =0, 本

文中称为 “ 清空法 ”

; 另一种是保持上一步的控制 量 , 也即 u (k ) =u (k －1) , 本文中称为 “ 保持法 ” 仿真和试验中同时列出了这两种方法的控制效果 , 然后与 NPC 补偿后的控制效果做比较 。

1) 仿真 为比较并验证网络化预测控制的效 果 , 本部分利用球杆系统的模型进行了仿真 。 球杆 系统是一个典型的非线性系统 , 并且具有开环不稳 定性 。 此处使用小球位置在输出为 6V 附近的辨识

模型

0. 0072z +0. 0072

z 2－2z +1

。 在不存在网络时 , 设计如 下 P －D 控制器 :

u (k ) =(0. 5+1. 21－z －1

T s

) (r (k ) －y (k ) ) (14)

本地控制的效果 , 如图 2所示

。

图 23 5步随机回路时延仿真 Fig. 2

The 3-5step random delay NCS simulation results

5步以下的随机时延 , 3种方法都能够使球杆 稳定 , 其中 , 保持法略优于清空法 , 但都比 NPC 要差 , NPC 非常接近本地控制 。 而到了 7步以上的 随机时延 , 前两种方法已经不能够使球杆跟踪给定 了 , 而 NPC 的控制效果仍然接近本地控制 。

4 7步随机回路时延仿真 , 如图 3所示

。

图 34－7步随机回路时延仿真

Fig. 3The 4-7step randorm delay NCS simulation results

2) 实验 仍旧在不考虑网络条件下设计控制 器为式 (14) , 然后按照式 (11) , 式 (12) 计算预测控 制序列 。 局域网环境是中国科学院自动化研究所复 杂系统与智能科学实验室 。 因特网实验中 , 控制器 设置在英国格拉摩根大学 , IP 为 193. 63. 131. 219。 执行器和传感器端设置在中国科学院自动化研究 所 , IP 为 159. 226. 20. 79。 经实验测得因特网时延 为 0. 48 0. 6s 。

相应的实验结果 , 分别如图 4 图 5所示

。

图 4一步随机回路时延实验

Fig. 4The experimental results of 1step random delay

NCS

图 5两步随机回路时延实验

Fig. 5The experimental results of 2step random delay NCS

当存在一步回路时延时 , 可以看出 , 3种方法 都能够使球杆跟踪给定并保持稳定 。 不过也可以看 出 3种方法的效果已经有了差别 , 其中 , 清空法出 现了较大的振荡 , 效果最差 ; 保持法的振荡一般小 于清空法 , 但调节时间较长 ; NPC 的效果最好 , 比 较接近本地控制 。 从图 5可以看出 , 当存在两步随 机时延时 , 不补偿便无法使球杆稳定了 。 多步随机 回路时延 NPC 实验 , 局域网及因特网实验 , 分别 如图 6 图 7所示

。

图 6多步随机回路时延 NPC 实验

Fig. 6The experimental results of multi-step

random delay

NPC

图 7局域网及因特网实验

Fig. 7The experimental results of Intranet-based and NPC

由图 6可以看出 , 即使存在 6步随机时延时 , NPC 仍旧能够有效补偿时延和丢包的影响 , 并保持 球杆跟踪给定 。 由图 7可以看出 , 局域网中和因特 网中 NPC 均能够使小球跟踪给定 。

另外 , 从试验中可以看出 , 随着时延的增加 , NPC 的控制效果也会下降 , 这主要是因为球杆模型 只是对现实球杆的一种数学近似 , 另外由于球杆的 许多非线性因素 , 使得实际运行中模型与实际系统 仍有细微的差别 , 在基于模型计算预测控制序列 时 , 就会有偏差 , 而这种偏差会被迭代算法所放 大 。 所以时延变大时 , 控制效果会下降 。

5结 语

本文阐述了网络预测控制系统的设计 , 介绍了 球杆系统的建模过程 , 采用仿真与实验验证了利用 网络化预测控制对球杆系统进行控制的有效性 , 通

过对无时延补偿算法和网络化预测控制算法控制效 果的差异展示了网络化预测控制对于时延和数据包 丢失的显著补偿作用 。 参考文献 (References ) :

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范文五：基于网络化控制系统的DTS

基于网络化控制系统的 DTS-200三容液位过程控制仿真实验 1. 课题来源及研究的背景和意义

过程控制即对连续生产过程的自动控制,作为自动化技术的重要分支,已广泛应用于 石油、化工、制药、轻工、纺织、冶金、环境工程等国民经济领域。在现代工业生产过程自 动化中, 过程控制技术正在为实现各种最优技术经济指标、 提高经济效益和社会效益、 提高 劳动生产率、节约能源、 改善劳动条件、 保护环境卫生、 提高市场竞争力等方面起着越来越 巨大的作用, 先进过程控制技术已成为国内外高校及企业的研究热点。 在这样的背景下, 过 程控制也成为国内高校自动化专业的重要专业课程。 掌握好这门课程对于学生来说, 即是今 后科研工作的理论基础,也是提高分析解决实际工程问题的重要机会。

对于专业课程教学而言, 理论与实际的结合是至关重要的, 重视实践性教学 环节, 着眼培养学生的动手技能对学生的专业能力提高具有重大意义。 本文主要 研究对象为德国 Amira 公司的 DTS-200三容水箱过程控制实验系统,它是一种 可以模拟多种对象特性的实验装置, 同时配备了相应的软件平台。 作为典型的过 程控制实验设备, 其在国内外很多大学和实验室都已得到了广泛的应用, 在过去 几十年中, 三容水箱系统作为研究故障诊断与容错控制问题的基准系统被学术界 广为接受。同时三容液位控制是综合实验系统,该系统为集于了自动控制原理、 计算机控制、传感器技术、过程控制等理论知识,可以进行数学建模、单容、双 容、三容 PID 液位控制以及解耦、模糊、预测控制等高级算法实验,是高校自 动化课程中重要且实用的实验教学设备。 但是, 在高校实际课程教学中, 仍存在 许多问题亟待解决:

(1)类似这样进口仪器设备价格昂贵,大部分高校没有经费购置,无法开展相 关实验; 而在少数配置了设备的高校内, 由于课程设置原因仪器确长期闲置不用, 造成资源得不到合理利用,效率低;

(2)由于过程控制实验是连续过程,学生大量时间浪费在等待上;另外,如果 课程时间冲突,学生则会失去做实验的机会;

(3)教学仪器通常只有一套,由老师演示完成,学生实际动手实践机会极少, 难以获得感性认识,实验效果难尽人意;

在这样的背景下,网络化控制系统三维实时仿真实验室 (3D-NCSLab)应运而 生。 NCSLab 是基于互联网的三维虚拟现实的实时仿真控制系统实验室。它集成 了多种三维虚拟现实的实验设备, 可以对各类经典控制、 现代控制、 先进控制系 统等进行实时仿真。 它可针对各种三维虚拟被控制对象, 在互联网浏览器中对控 制方法和策略进行闭环控制系统的可视化组态设计;然后自动生成可执行代码, 经网络下载到实时仿真控制器中执行, 实现控制系统的实时仿真; 同时经网络化 可视监控组态设计可实现远程监视和远程调试。 这样一来, 各高校学生只需要登

录 WEB 浏览器, 输入相应域名即可登录网络实验室操作实验, 而不受时间地点的 限制,极大地促进了高校间实验资源的合理利用,也便利了学生的实验和学习。

另外,该平台不局限于过程控制,集成了包括倒立摆、伺服系统、球杆系统等的 20种三维虚拟实验设备,可以对各类经典控制(例如基于传递函数的 PID 控制、 频率响应法、根轨迹法)、现代控制(基于状态空间方程的 LQR 控制)、先进控 制系统 (例如神经网络控制等智能控制系统) 进行实时仿真, 它可针对各种三维 虚拟被控制对象, 在互联网浏览器中对控制方法和策略进行闭环控制系统的可视 化组态设计; 然后自动生成可执行代码, 通过网络下载到实时仿真控制器中执行, 实现控制系统的实时仿真; 同时经网络化可视监控组态设计可实现远程监视和远 程调试,极大的丰富了教学内容。 国内外在该方向的研

2. 国内外研究现状及分析

1. 网络实验室的研究现状

当今, 随着网络技术的发展和网络规模不断扩大, 网络越来越成为人们生活

的一部分, 在这种前提下, 基于 Web 的远程实验室应运而生。 网络实验室由于其 具有资源共享、 拓展灵活、 有利于个性化实验和操作简单等方面的优势, 无论在 国内还是在国外都受到越来越多的重视, 越来越多的国家都在积极开发网络实验 室,包括美国、德国、新加坡等。几年前,在米兰理工大学就建成能够提供课程 讨论和辅导的远程教育系统。 在德国的埃朗根 -纽伦堡大学建成了介绍 VHDL 工具 的虚拟实验室, 它可以作为辅导教学的手段, 可以给学生演示如何对实验设备进 行控制。

在国内,中国科学技术大学信息网络实验室为无线网络通信安徽省重点实 验的成员单位之一, 由李津生教授创建于 1988 年, 原名 ISDN 实验室。 实验室

自成立以来, 一直致力于网络基础理论研究和关键技术开发, 先后承担了国家自 然科学基金、科技部重大专项、 863 课题、中国下一代互联网 CNGI 项目、国家 攻关课题等 20 余项国家、 军队和省部级重大课题。 实验室是国内较早从事 IPv6 技术研究和应用的科研单位之一。 目前, 在对新一代网络技术及其应用的研究中, 实验室主要课题方向包括:P2P 、流媒体传输、无线分布式网络体系结构(包括

无线 Ad Hoc 网络、无线 Mesh 网络、 DTN 网络等)、移动 IPv6、网络编码、 网

络安全等。 实验室还承担学校本科生和研究生的教学工作, 教学内容注重与网络 技术发展同步,并及时将科研成果反映到课堂教学和实验中。

3. 主要研究内容

作为一门实验课程, 主要目的是锻炼学生的动手操作和独立思考能力, 将所学的理论与 实际情况结合, 加深理解并学会应用。 因此, 本课题的主要任务即设计适合本科生的过程控 制实验, 让学生验证和应用过程控制课程中所学的理论知识。 在设计实验中, 主要基于以下 几个原则:

与上课所学的理论紧密相连,利用实验课程理解和检验知识;

以实验目的为导向,让学生亲自动手,

由于实验课时较少,保持每个实验的内容在合理范围内。

在这几个原则的基础上,设计了以下实验内容:

?液位系统的数学建模

包括机理建模与测试建模,目的是通过实验让学生了解常用工程数学模型建 模方法,用阶跃响应测试被控对象建立数学模型的基本步骤。

?液位过程系统的 PID 控制

掌握过程控制中最常用的 PID 控制算法,熟悉该方法的控制器设计与实现。 并且通过实验理解 PID 各参数的具体作用。

?双容液位系统的串级 PID 控制

熟悉串级回路的结构特点,与单回路 PID 控制比较,了解串级控制在抑制干 扰和非线性特性、改善动态性能方面的作用。

?纯滞后系统的 Smith 预估控制

了解纯滞后环节的系统稳定性的影响,掌握预估控制器的传递函数推导过程 ?模糊自适应整定 PID 控制

?模型预测控制(MPC )

?解耦控制

了解以上高级算法的原理,并与传统 PID 控制的效果比较

4. 研究方案及进度安排,预期达到的目标

4.1课题研究方案

1. 对液位控制系统进行数学建模, 并与实验测得的曲线比较, 验证其正确性。

2. 采用工程实际中常用的数字 PID 控制, 设计不同的液位控制实验。 主要包括 位置式 PID 和增量式 PID 的控制效果比较, 单回路 PID 控制与串级回路 PID 控制的控制效果比较,分析各种控制算法的优劣。通过 MATLAB 软件中的 SIMULINK 工具,搭建仿真系统,观察实验结果,以便在网络化实验室平台 上实现。

3. 设计适合液位控制系统的高级控制算法,主要有模糊自适应整定 PID 控制, 多入多出解耦控制和预测控制。

4. 将上述仿真结果与实际液位控制实验所得的曲线进行比较,以验证正确性。 4.2进度安排

6. 预计研究过程中可能遇到的困难和问题,以及解决 的措施

1. 现有的服务器中 MATLAB 软件版本较低, MDL 文件在不同版本间的兼容性 很差;

1. WEBCONSIM 上可供设计用的模块较少,很多高级算法例如模糊控制器、预 测控制等难以实现 .

解决方案

参考文献

转载请注明出处范文大全网 » 网络化控制系统