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网络化控制系统

2018-08-21 09:42:43     所属分类:控制工程

网络化控制系统(Networked Control System)是指控制回路的元件透过通讯网络交换资料的控制系统英语control system。其特征是控制系统的命令及回授是在网络中以封包的方式传送。

目录

  • 1 简介
    • 1.1 通讯网类种类
    • 1.2 问题及对策
  • 2 参考资料
  • 3 延伸阅读
  • 4 外部链接

简介

典型网络化控制系统的功能是由以下四种基本组件构成:

  1. 传感器:获取资讯
  2. 控制器:提供决策及命令
  3. 执行器:执行控制命令
  4. 通信网络英语Telecommunication network:进行信息的交换

网络化控制系统最重要的特征是连结了网络空间及实体空间,因此可以在长距离下执行许多任务。而且,网络化控制系统的讯号都透过共用的网络(及线材)传输,省去了不必要的配线,减少系统复杂度,也降低了设计及架设系统需要的成本。若要增加传感器、控制器或是执行器来调整或是更新系统,也可以用较低的成本达到,而且不会更动系统的主架构。网络化控制系统的最大特点是各控制器可以有效率的分享资料,因此可以在大实体空间内整合整体资讯,做出明智的决策。

网络化控制系统可以用在许多的领域中,例如太空及陆地的勘探、进入危险区域及相关作业、工厂自动化、远端诊断及故障排除、实验性设备、家用机器人、飞机、车辆、工厂监控、看护中心以及远端作业等。不过网络化控制系统可以应用的场合很多,真正实际应用的案例不多。

通讯网类种类

  • 现场总线,例如CAN、LON等
  • IP/Ethernet
  • 无线网络,像是Bluetooth、ZigBee或是Zwave。这类系统常称为无线网络控制系统(Wireless Networked Control System)。

问题及对策

iSpace概念

互联网的出现、发展,以及网络控制系统的出现吸引了许多研究者的关注。不过网络控制系统在一些重要的议题上也有不少挑战。其中比较有深入研究的包括新的控制策略、系统致动器的运动学、通讯的可靠性及保安性、带宽分配、资料通讯协定的发展,对应的错误侦测及容错控制技术、实时资讯收集以及感测器资料的有效处理等。

回授控制回路英语control loop加入通讯协定会让控制回路中加入额外的时间延迟,而且可能有封包遗失的可能性,因此网络化控制系统的分析及设计会变复杂。在一些应用下,时间延迟可能会让系统的表现显著的下降。

北加大ADAC实验室的Y. Tipsuwan及M-Y. Chow为了要减轻时间延迟的影响,提出了Gain Scheduler Middleware方法,应用在iSpace中。乔治亚理工学院的S. Munir及W.J. Book使用史密斯预测器英语Smith predictor、卡尔曼滤波及能量稳定控制,在网络上进行远端操作[1][2]

K.C. Lee、S. Lee和H.H. Lee使用基因算法设计网络化控制系统中使用的控制器。也有其他研究者应用不同的理论进行控制器设计,例如强健控制、最佳随机控制英语stochastic control、模型预测控制、fuzzy逻辑等。

不过分散式网络化控制系统最关键且重要的议题是要满足系统可靠度及相依性的要求,也要保证系统在其工作范围内都要有高性能,这部分的复杂性已越来越高。因此网络化的错误侦测及诊断技术越来越受关注,而这些也是监控系统性能的核心。

参考资料

  1. ^ ADAC Lab
  2. ^ iSpace

延伸阅读

  • D. Hristu-Varsakelis and W. S. Levine (Ed.): Handbook of Networked and Embedded Control Systems, 2005. ISBN 0-8176-3239-5.
  • Hespanha, J. P.; Naghshtabrizi, P.; Xu, Y. A Survey of Recent Results in Networked Control Systems. Proceedings of the IEEE. 2007, 95 (1): 138–162. doi:10.1109/JPROC.2006.887288. 
  • Quevedo, D. E.; Nesic, D. Robust stability of packetized predictive control of nonlinear systems with disturbances and Markovian packet losses. Automatica. 2012, 48 (8): 1803–1811. doi:10.1016/j.automatica.2012.05.046. 
  • Pin, G.; Parisini, T. Networked Predictive Control of Uncertain Constrained Nonlinear Systems: Recursive Feasibility and Input-to-State Stability Analysis. IEEE Transactions on Automatic Control. 2011, 56 (1): 72–87. doi:10.1109/TAC.2010.2051091. 
  • S. Tatikonda, Control under communication constraints, MIT Ph.D dissertation, 2000. http://dspace.mit.edu/bitstream/1721.1/16755/1/48245028.pdf[失效链接]
  • O. Imer, Optimal estimation and control under communication network constraints, UIUC Ph.D. dissertation, 2005. http://decision.csl.uiuc.edu/~imer/phdsmallfont.pdf[失效链接]
  • Y. Q. Wang, H. Ye and G. Z. Wang. Fault detection of NCS based on eigendecomposition, adaptive evaluation and adaptive threshold. International Journal of Control, vol. 80, no. 12, pp. 1903–1911, 2007.
  • M. Mesbahi and M. Egerstedt. Graph Theoretic Methods in Multiagent Networks, Princeton University Press, 2010. ISBN 978-1-4008-3535-5. https://sites.google.com/site/mesbahiegerstedt/home
  • Martins, N. C.; Dahleh, M. A.; Elia, N. Feedback stabilization of uncertain systems in the presence of a direct link. IEEE Transactions on Automatic Control. 2006, 51 (3): 438–447. doi:10.1109/tac.2006.871940. 
  • Mahajan, A.; Martins, N. C.; Rotkowitz, M. C.; Yuksel, S. Information structures in optimal decentralized control. Proceedings of the IEEE Conference on Decision and Control: 1291–1306. 
  • Dong, J.; Kim, J. Markov-chain-based Output Feedback Method for Stabilization of Networked Control Systems with Random Time Delays and Packet Losses. International Journal of Control, Automation, and Systems. 2012, 10 (5): 1013–1022. doi:10.1007/s12555-012-0519-x. 

外部链接

  • Advanced Diagnosis Automation and Control Lab (NCSU)
  • Co-design Framework to Integrate Communication, Control, Computation and Energy Management in Networked Control Systems (FeedNetback Project)

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