摘 要

随着电子科技技术和计算机应用技术的不断完善和不断发展、网络通信能力的不断提高和资源之间的共享不断增加，出现了网络控制系统（Networked Control System,简称NCS）。网络控制系统实际上指的就是通过通信网络的连接形成环路的闭环反馈控制系统，网络传输的条件能够使得控制器、执行机构和传感器等控制元件的信号共同使用一个传输通道，使系统的灵活性大大增强。

在网络这一优势环境下，多个用户共享通信网络而且数据变化不规则，容易导致控制系统的控制性能不稳定，使得系统出现时延及数据包丢失等现象，这些现象直接影响了在工业控制中以太网的应用，因此对网络控制系统中数据包丢失的现象的研究是很有理论意义和现实价值的。

本文主要研究网络控制系统中的数据包丢失问题，在网络条件下的传输过程中，由于会产生数据碰撞和节点竞争失败等现象，可能会引起要传输的数据包丢失的现象。首先，给出了被控对象的连续模型，根据连续系统得出离散系统，以此模型为基础，对其产生数据包丢失的系统进行建模，分别包括单包传输情况下单边、双边网络产生数据包丢失的系统和多包传输情况下产生数据包丢失的系统，假设在网络中存在一开关，每当开关闭合，数据包可以顺利传输；每当开关断开，则数据包丢失。其次针对数据包丢失现象对系统的稳定性的影响以及数据包丢失率的界限进行逐个研究，分析有关丢包对网络控制系统的性能的影响，通过异步动态系统的模型及相关数学知识，通过证明，得出在一定丢包率下系统是否可以稳定运行的定理及丢包率的界限，就给定模型的系统进行稳定性分析、计算其丢包率的界限，验证定理。最后，对一假定系统在某种特定网络下的数据传输进行仿真，分别得到不同丢包率下的输出响应曲线，对比输出曲线与输入曲线，并进行分析。

关键词：网络控制系统；数据包丢失；建模；稳定性；仿真

Abstract

With the continuous improvement and development of electronic technology and computer technology, the continuous improvement of network communication capability, the sharing of resources is increasing, and the network control system appears.The network control system is actually the loop through the communication network to form a closed-loop feedback control system, network transmission can make the sensor, controller, actuator and control components of the signal with a common transmission channel, which greatly enhanced the flexibility of the system.

Under the network environment, multi-user shared communication network and irregular change, resulting in the performance of the control system is not stable, appear time delay and data packet dropout, these problems directly affect the application of Ethernet in industrial control, so the research on the network control system in packet loss phenomenon is very meaningful.

In this paper, we mainly study the data packet dropout problem in network control system. In the process of network transmission, data collision and node competition failure can lead to the loss of data packets.First of all, the continuous model is proposed for the controlled object, according to the continuous system and discrete system, based on this model, the model system of packet loss, including unilateral and bilateral network network single packet transmission case system packet loss system data packet dropout and multiple packet transmission case. Assuming there is a switch in the network, when the switch is closed, the packet can be successfully transmitted; when the switch is off, the data packet dropout.Secondly, because of the influence of packet loss on the stability of the system and the packet loss rate limits one by one study, analysis of the impact of packet loss on the performance of the network control system, through the asynchronous dynamic system model and the related mathematical knowledge, by proving, that rate system with packet loss can limit theorem and packet loss and stable operation the rate of the limits on analysis and calculation of the packet loss rate of the system stability of the given model, verification theorem.Finally, the data transmission of a given system under a given network is simulated, and the output response curves under different packet loss rates are obtained. The output curves and input curves are compared and analyzed.

Key Words：networked control system；packet dropout；modeling；stability analysis；simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 研究现状 1

1.3 研究内容 2

第2章 网络控制系统概述 3

2.1 网络控制系统的概念 3

2.2 通信媒体类型及通信协议 3

2.3 网络控制系统中存在的问题 4

2.3.1 网络诱导时延 4

2.3.2 数据包丢失 5

2.3.3 单包传输与多包传输 5

2.3.4 数据包时序错乱 6

2.3.5 数据滤除与空采样 6

2.4 节点的驱动方式 6

2.5 信息调度 7

第3章 存在数据包丢失的网络控制系统建模 8

3.1 引言 8

3.2 单包传输产生数据丢包的网络控制系统建模 8

3.3 多包传输产生数据丢包的网络控制系统建模 11

第4章 数据包丢失对系统稳定性的影响 14

4.1 系统的稳定性判据 14

4.2 已知被控系统的稳定性分析 15

第5章 关于数据包丢失的仿真分析 18

5.1 TrueTime仿真平台的功能与结构 18

5.2 仿真流程 19

5.3 仿真结果及分析 19

第6章 总结与展望 22

参考文献 23

附 录 25

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 研究目的及意义

自从进入21世纪，控制系统的设备功能不断地提升，需要解决的问题也越来越复杂，人们对控制系统的控制性能需求已无法通过过去的控制方式来满足，因此，出现了网络控制系统（Networked Control System,简称NCS）来适应人们对控制系统日益增长的要求。

网络控制系统实际上指的就是一个闭环反馈控制系统，只不过与其他闭环反馈控制系统不同的是，网络控制系统的节点之间的连接介质是网络，其本质就是系统中的控制器、执行元件和传感器等元件之间的信息传递通过网络来加以实现。相比较于传统控制方式，网络控制系统可以实现资源共享、远程操作控制、诊断能力更高、安装与维护步骤更加简单、价格更加低廉。使用网络传输可以使控制器、执行机构和传感器等控制元件的数据信号共同使用数据传输通道，可以使系统的灵活性大幅度增强。