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
万能工具显微镜智能化测控系统
万能工具显微镜智能化测控系统 万能工具显微镜、分度头、光学测角仪是用传统方法对长度和角度等几何量的测量的常用工具。基于测量精度高、抗干扰能力强、长期稳定性好等优点，这些仪器在几何量测量中扮演重要角色。作为测量仪器中的大型光学仪器，万工显功能特别强大。它可以通过多种方法并结合附件在直角坐标及极坐标下进行各种几何量的测量，在精密测量中使用十分广泛。然而随着现代科技的发展，对精密测量的精度、效率等方面也提出了越来越高的要求，要求光学测量仪器达到高精度、高效率、智能化。 设计应用光栅数显技术，能使万工显测量、读数实现数字化。这种数字化的智能测控系统用以解决老旧万工显操作繁琐、人为误差大、工作效率低等问题。这将是一个很有实际意义的课题，它可以对很多院校和厂矿这类老旧仪器进行改造，提高了读数精度和自动化程度，其在精密测量领域具有广泛的应用和实际的意义。 1 系统需求分析 本课题是基于成熟测量工具万工显的技术升级改造，既要保持原有仪器的精度和稳定性，又要降低测量难度，所以要选择适用于万能工具显微镜改造升级并且经济实用的位移传感器；为避免误差积累影响系统精度，需自行设计机械安装方案；为避免错位松动影响系统稳定，需严格遵守安装说明。 1.基于DSP技术的信号细分及数据采集电路模块设计 原有仪器测量精度较高，稳定性好。改造升级后要达到甚至超过原来的测量精度，保持更好的稳定性。在满足这些要求的情况下，选择DSP技术对信号细分和数据采集。 2.功能软件的设计与开发 为了使样板、螺丝、齿轮、滚刀等的检测从不可能到可能，从不精确到精确，从复杂到简单。自行设计万能工具显功能軟件，实现简
单几何元素、基本几何元素、组合几何元素等规划测量功能。同时，系统完成了万能工具显微镜数字显示仪表的图形测量、图形构造、图形预置、公制/英制转换、坐标摆正、直角坐标/极坐标转换、参数设置、用户提示等先进的仪表功能的实现。 2.光栅检测原理及光栅位移传感器选型 1.光栅检测原理 光栅位移传感器也称光栅尺或计量光栅，由标尺光栅和光栅读数头两部分组成，指示光栅则装在光栅读数头中。标尺光栅一般固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上。目前计量光栅的位置检测技术发展已相当成熟，被广泛用于角度位移检测，也可用于直线位移检测。 2. 光栅信号细分及数据采集 光栅的刻划密度基本上决定了光栅尺的分辨率。然而工艺水平限制光栅的刻划密度受，而且从成本来讲刻花线数越多，就越昂贵，因此很难依靠提高刻划密度来提高光栅尺的分辨率。采用光栅信号细分技术是提高光栅尺分辨率的另一途径。光栅测量系统本就有较高的分辨率，若再配合电子细分则可以达到很高的分辨率，并且随着电子技术的飞速发展，细分实现越来越简单、可靠。根据本课题实用型升级改造的要求，光栅信号细分技术来提高光栅尺的分辨率。 3.软件开发环境 软件开发环境采用为CCS（Code Composer Studio）集成开发环境，该环境下编程代码的可读性更好、可移植性更高，便于二次开发。 1.开发环境 CCS是一种针对TMS320系列DSP的集成开发环境，提供有环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具。它支持如下开发周期的所有阶段：设计、编程和编译、调试、分析。 2.系统软件总体设计 良好的设计方案可以减少软件的代码量，提高软件的通用性、扩展性和可读性。本系统的设计方案和步骤如下：
030241004-网络化测控系统-陈亮-110926
《网络化测控系统》课程教学大纲 课程代码：030241004 课程英文名称：Basis for the Design of Embedded Instrumentation 课程总学时：48 讲课：38 实验：10 上机：0 适用专业：测控技术与仪器 大纲编写（修订）时间：2011.9 一、大纲使用说明 （一）课程的地位及教学目标 本课程是测控技术与仪器专业的主要专业课，主要任务是使学生掌握测控系统的网络化结构和设计方法，并具有一定的应用能力。 通过本课程的学习，学生将达到以下要求： 1．树立正确的设计思想，了解网络化测控系统所能应用的领域； 2．掌握网络化测控系统原理的基本设计原理、方法； 3．具有一定的组态软件编写能力，能够掌握常用工控软件和系统的设计方法； （二）知识、能力及技能方面的基本要求 1.基本知识：掌握网络化测控系统的组成结构。 2.基本理论和方法：掌握常用工业控制现场总线、DCS的主要特点和应用范围、工业以太网的组成、工业无线网络的组成、组态软件的开发以及网络化测控系统设计的能力。 3.基本技能:掌握组态软件的开发、Dynamic C设计等 （三）实施说明 在课堂教学环节中,要突出重点并及时补充相关计算机发展的新知识,特别注意在授课过程中结合计算机在测控系统中的应用进行讲解,通过实验环节强化学生对知识的掌握和应用能力的培养. 1．教学方法：课堂讲授中要重点对动画设计制作基本概念、软件平台使用方法进行讲解；采用启发式教学，引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；对于基本概念基本原理不要求死记硬背，要在学生理解的基础上，培养学生独立设计开发动画的能力，重点是掌握软件开发平台的使用技巧，并能结合专业特点进行动画开发。 2．教学手段：本课程属于专业选修课，在教学中采用电子教案、PPT课件及多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。 3．计算机辅助设计：要求学生能够应用组态王软件平台完成程序设计。 （四）对先修课的要求 本课程的选修课为《微机原理》、《电气工程制图》、《电子测量技术》、《计算机网络》等。 （五）对习题课、实验环节的要求 本大纲立足于工程应用能力的培养,习题从教材中选取并结合实际应用进行补充，基本每次课后都布置作业并要求学生按时交作业;实验环节要保证质量完成。 （六）课程考核方式 1.考核方式：考查。 2．考核目标：在考核学生对网络化测控系统基本知识、基本原理和方法的理解的基础上，重点考核学生的分析能力、实际应用的能力。
计算机控制系统试题一答案
计算机控制系统试卷一答案 班级：姓名：学号：成绩： 一、简答题（每小题5分，共50分） 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。 答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ 答：根据采样过程的特点，可以将采样分为以下几种类型。 (1) 周期采样 指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。 (2) 同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样 如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样 如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。 (5) 随机采样 若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 3、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P。比例调节器虽然简单快速，但对于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K P可以减小静差，但是K P过大时，会使系统的动态质量变坏，引起输出量
振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 (2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。积分时间常数T I大，则积分作用弱，反之强。增大T I将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。 (3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4、采样保持器LF398工作原理图如下图，试分析其工作原理。 答：LF398的电路原理：放大器A2作为比较器来控制开关K的通断，若IN+的电压高于IN-的电压，则K闭合，由A1、A3组成跟随器，并向C H端外接的保持电容充电；IN+的电压低于IN-的电压时，则K断开，外接电容保持K断开时刻的电压，并经A3组成的跟随器输出至Aout。 5、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？ 答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜z i｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。 6、为什么会出现比例和微分饱和现象？ 答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，
酒店客房智能化控制系统设计方案
酒店客房智能化控制系统设计方案 北京威控科技发展有限公司 二零零八年一月
目录 一、系统的概况及需求分析 (2) 二、威控客房控制系统为酒店带来的经济效益 (2) 三、VC-RC1000系统简介..................................................................................... 错误!未定义书签。 四、VC-RC1000系统特征..................................................................................... 错误!未定义书签。 4.1节能、节省配置、节约人力资源、延长设备使用寿命............................. 错误!未定义书签。 4.2更安全的保障 ................................................................................................ 错误!未定义书签。 4.3人性化的服务 ................................................................................................ 错误!未定义书签。 4.4全面提高酒店管理水平 ................................................................................ 错误!未定义书签。 4.5高性能的成熟系统产品 ................................................................................ 错误!未定义书签。 五、VC-RC1000系统优势..................................................................................... 错误!未定义书签。 5.1系统优势体现................................................................................................. 错误!未定义书签。 5.2威控客房控制器与其它厂家控制器的比较................................................. 错误!未定义书签。 六、VC-RC1000系统的整体设计详述................................................................. 错误!未定义书签。 6．1酒店客房控制系统的构建 .......................................................................... 错误!未定义书签。6．2单客房系统设计构成及主要设备介绍 ...................................................... 错误!未定义书签。6．3通讯系统的结构及设备 (6) 6.3.1 系统通讯结构 (7) 6.3.2 系统通讯设备 (8) 6．4客房控制系统软件 (8) 6.4.1 最可靠的平台、最安全的技术保障 (9) 6.4.2 软件功能强大，满足不同客户需求 (9) 6.4.3 可靠性高 (10) 6.4.4 灵活通用，模块化结构 (10) 6.4.5 界面友好 (10) 七、系统运行模式及功能 (12) 7.1无人模式 (12) 7.2入住模式 (12) 7.3欢迎模式 (12) 7.4普通控制模式 (13) 7.5睡眠模式 (13) 7.6已租外出模式 (14) 7.7退房模式 (14) 7.8特别模式 (14) 八、VC-RC1000系统的实施步骤 (14) 附图一：RCU工作原理图 (16)
计算机测控系统的设计与实现
计算机测控系统的设计与实现 1 计算机测控系统的发展历程及其定义 在现代工业控制领域，计算机以其无以伦比的运算能力，数据处理分析能力，在测控系统中起到了很大了作用，测控系统的发展经历了五个阶段： 测控系统的发展 在20世纪50年代，测控系统处于自动测量、人工控制阶段，整个系统结构简单，操作灵活，但由人工操作，速度受到了限制，不能同时控制多个对象。 在20世纪60年代，采用电动单元组合式仪表测控系统，测控系统处于模拟式控制阶段，系统的控制精度和速度都有了提高，但抗干扰的能力比较差，且对操作人员的经验要求比较高。 直到20世纪70年代到20世纪80年代，出现的计算机集中测控系统以及分布式测控系统，才使得人类在控制领域实现了一次巨大的飞跃。 计算机测控系统的发展 首先，在60年代末期，出现了用一台计算机代替多个调节控制回路的测控系统，就是直接数字测控系统，它的特点是控制集中，便于运算的集中处理，然而这种系统的危险性过于集中，可靠性不强。 随着70年代，电子技术的飞速发展，由美国Honeywell公司推出了以微处理器为基础的总体分散型测控系统，它的含义是集中管理，分散控制，所以又称为集散测控系统。 分布式测控系统是在集散测控系统的基础上，随着生产发展的需要而产生的新一代测控系统，分布式测控系统更强调各子系统之间的协作，有明确的分解策略和算法。 因此，计算机测控系统就是应用计算机参与控制并借助一些辅助部件与被控对象联系，以达到一定控制目的所构成的系统 2 计算机测控系统的组成
测量设备计算机主控器执行机构 人机界面通讯模块 图1 测控系统的组成 计算机测控系统的组成如图1所示，包括计算机主控器、测量设备、执行机构、人机界面或通讯模块所组成。 测量设备 测量设备的主要作用就是向计算机主控器输入数据。一般来说，是利用传感装置将被控对象中的物理参数，如：温度、压力、液位、速度。转换为电量，如电压，电流，再将这些电量送人到输入装置中，转换为计算机可以识别的数字量， 执行机构 执行机构（例如：调节阀、电动机）接收主控器的控制信号，输出动作，完成控制目的。 人机界面 计算机系统人机界面是系统和用户进行交互和信息交换的媒介，它实现信息内部形式与人类可接受形式之间的转换。人机界面一般而言分为基于窗体的界面和基于web 的界面，基于窗体的界面它的基本特点是对动作的反应十分灵敏，能够及时响应，它是由内部的CPU 处理数据。而基于web 的界面是一个轻量型的界面，它是由远程服务器处理数据。 通讯模块 通讯模块就是通过网络，远程通信。它是计算机主控器与通讯网络之间的连接器，它可以为计算机主控器传递不同的讯号。 总而言之，一个测控系统，核心是主控器，必须有输入输出，一般而言还有人机界面或通讯模块，目的在于数据收集，参数控制。 3 主控器 主控器的结构
某小型无人机测控系统的设计
某小型无人机测控系统的设计 测控系统作为无人机电子信息系统的核心,是无人机系统的重要组成部分。本文阐述了无人机测控系统的主要功能,描述了某小型无人机测控系统的组成。 标签：无人机;遥控遥测;地面站;操纵器 1 引言 无线电遥控遥测系统是实施对无人机飞行管理的核心,也是保证无人机安全飞行与回收的关键,无线电遥控遥测分系统简称为测控分系统,按功能可以分为无线电遥控子系统、无线电遥测子系统和地面站显示终端。无线电遥控子系统主要用于传输地面操纵人员的指令,引导无人机按操纵人员的旨意飞行以及对安全区的坐标数据进行传输;无线电遥测子系统用于传送无人机的状态参数、位置坐标等信息给地面站;地面站显示终端对无人机的飞行参数、飞行姿态、航向和航迹进行显示,并对程控航线和安全区域进行规化,将规化好的坐标以无线电方式实时转送到机载飞控系统,显示终端还可以对飞行数据进行保存和回放。 作为无人机飞行管理的核心,无线电遥控遥测分系统的主要功能如下: (1)传送遥控指令; (2)显示无人机的航迹、姿态、位置、机载设备工作状态、当前遥控指令、测控数据传输质量等信息; (3)设置并装定无人机的原始参数、原点位置、飞行航路和安全区; (4)管理无人机飞行数据; (5)提供遥测信息的串口数据,以接入局域网。 2 测控系统的组成 该小型无人机测控分系统组成框图如图1,它包括机载遥控遥测收发一体机、地面遥控遥测收发一体机、地面站、遥控指令操纵器及天线,并在地面站上增加了一个专用接口供数据接入局域网。 2.1 遥控遥测收发一体机 遥控遥测机载及地面收发一体机均由GD无线数传电台构成,该电台具有如下特点: (1)高性能、高稳定、高可靠,适用于各种恶劣的工作环境;
网络化测控技术
摘要计算机网络、自动控制、分布式人工智能等理论和技术的融合促进了网络化智能测控技术的产生，网络化智能测控技术的发展和广泛应用正改变着人们的生产和生活方式，也引起了相关技术和理论的变革。本文围绕工业现场测控网络、远程智能测控、网络化分布式智能测控等技术中的国内外研究热点问题，阐述了其发展现状及技术特点，分析了其关键技术及发展趋势。 关键词现场总线;工业以太网;嵌入式Internet远程测控; Multi-Agent系统 A bstract The integration of theory and technology for computer network, automatic control, and distributed artificial intelligence have prompt the generation of intelligent measurement and control technology network. The development and wide application of the intelligent measurement and control technology network is changing people's production and life, but also caused a relevant technology and theory revolution. This paper focuses on industrial field measurement and control network, remote intelligent monitoring and control, intelligent monitoring and control of distributed network technology and international research and other hot issues, describes its development status and technical characteristics, analysis of the key technologies and trends. Keywords: field bus; Industrial Ethernet; remote monitoring and control of embedded Internet; Multi-Agent System
无人机数据传输系统-手册
1.概论： 无人机，即无人驾驶的飞机。是指在飞机上没有驾驶员，只是由程序控制自动飞行或者由人在地面或母机上进行遥控的飞机。它装有自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动着陆系统等，通过这些系统可以实现远距离飞行并得以控制。无人机与有人驾驶的飞机相比而言，重量轻、体积小、造价低、隐蔽性好，特别宜于执行危险性大的任务，因此被广泛应用。 二、无人机的特点及技术要求 无人机没有飞行员，其飞行任务的完成是由无人飞行器、地面控制站和发射器组成的无人机系统在地面指挥小组的控制一下实现的。据此，无人机具有以下特点: （1）结构简单。没有常规驾驶舱，无人机结构尺寸比有人驾驶飞机小得多。有一种无尾无人机在结构上比常规飞机缩小40%以上。重量减轻，体积变小，有利于提高飞行性能和降低研制难度。 （2）安全性强。无人机在操纵人员培训和执行任务时对人员具有高度的安全性，保护有生力量和稀缺的人力资源。可以用来执行危险性大的任务。 （3）性能提高。无人机在设计时不用考虑飞行员的因素。许多受到人生理和心理所限的技术都可在无人机上使用，从而突破了有人在机的危险，保证了飞行的安全性。 （4）一机多用，稍作改进后发展为轻型近距离对地攻击机。
（5）采用成熟的发动机和主要机载设备，以减少研制风险与经费投入，加快研制进度。联合研制以减小投资风险、解决经费不足有利于扩大出口及扬长技术与设备优势。 （6）研制综合训练系统。技术要求有: （1）信息技术包括信息的收集和融合，信息的评估和表达，防御性的信息战、自动目标确定和识别等； （2）设备组成包括低成本结构、小型化及模块化电子设备、低可见性天线、小型精确武器、可储存的高性能发动机及电动作动器等； （3）性能实现包括先进的低可见性和维护性技术、任务管理和规划、组合模拟和训练环境等。 三、无人机系统按照功能划分，主要包括四部分: （1）飞行器系统 包括空中和地面两大部分。空中部分包括：无人机、机载电子设备和辅助设备等，主要完成飞行任务。地面部分包括：飞行器定位系统、飞行器控制系统、导航系统以及发射回收系统，主要完成对飞行器的遥控、遥测和导航任务，空中与地面系统通过数据链路建立起紧密联系。 （2）数据链系统 包括：遥控、遥测、跟踪测量设备、信息传输设备、数据中继设备等用以指挥操纵飞机飞行，并将飞机的状态参数及侦察信息数据传到控制站。 （3）任务设备系统 包括：为完成各种任务而需要在飞机上装载的任务设备。
施肥机的智能化测控系统
施肥机的智能化测控系统 摘要：通过当前中国农业现状和智能化技术的发展，设计一个通过管路连接到灌溉系统的施肥机，通过控制肥水量来实现智能施肥，它能够执行比较精确的施肥过程，预防肥水使用不足或者过度的现象。本设计的职能施肥机采用西门子S7-200系列PLC作为控制器，监控软件选用VB 关键词：智能化；施肥机；PLC；VB 农业发达的国家已经实现作物的自动施肥，为作物生长提供适宜的营养，而在我国这种技术发展还不是很成熟，还处于研发阶段，自动化程度比较低，应用的智能控制器比较少。我国普遍应用的传统的施肥方式除肥料底施外，田间追肥多以地面撒施为主，劳动强度比较大而且量上不太好控制，肥料的实际利用率只有30%左右，肥料的渗透、挥发严重，既造成了生产资料的极大浪费，有污染了水源，空气和土壤。国外的自动控制施肥系统大多施肥和灌溉一体化进行，借鉴这一技术，并考虑中国的现状，可将施肥机设计成为通过管道将肥水混成适合浓度滴灌施加给植物，他能够执行比较精确的施肥过程，按照用户的设置营养配比适量的施肥。大大的提高利用率。 设计的施肥结构简单，易于实现，适应各种环境，加装智能控制系统，能够很好地控制施肥流量，提高利用率 图1 施肥机的总体结构 智能施肥机控制系统的总体设计
本设计采用上下位机结构，上位机选用VB软件作为监控软件，下位机采用可编程逻辑控制器。系统控制图如图2所示 图2 施肥机控制系统图 设计输入有EC值、PH值、流量、压力。EC和PH值是系统主要控制参量和流量、压力一样都通过PLC的模拟输入模块采集进入下位机，这些参数在下位机进行处理，EC，PH值得变化控制施肥阀的动作频率，压力如果超出管道的承受范围则启动调压设备并报警。设计控制部分输出有：电磁开关、调压开关、3路灌溉阀、3路施肥开关和肥料泵。施肥机的运行操作的核心是PLC的控制下进行的。上位机软件主要是显示设置参数、存储数据，观察设备运行状况等功能。 智能施肥机控制器的设计 1）需要灌溉时，控制灌溉阀的打开和关闭，一边按照用户需求的灌溉方式和灌溉量实现给作物的灌水。 2）需要施肥时，施肥控制阀按照系统设定的施肥频率将肥液混入灌溉管道，同时系统实时检测混肥管道中肥水的EC和PH值，并与用户设定的值比较，根据比较调整施肥频率 3）实时检测管道压力，如果压力过高，启动调压装置 4）检测施肥管道的流量，并将EC、PH、压力值发给上位机显示
网络化控制技术的综述
网络化控制技术的综述 姓名：王旭闽学号：预科 网络化控制系统NCS（Networked Control Systems）,又称集成通讯与控制系统ICCS （Integrated Communication and Control System）。一般认为ICCS是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，是将控制系统的传感器、控制器、执行器等单元通过通讯网络连接起来形成闭环的分布式控制系统。其涵盖了两方面的内容：系统节点的分布化和控制回路的网络化。这种网络化的控制模式具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护等优点，但由于网络中的信息源很多，信息的传送药分时占用网络通讯资源，而网络的承载能力和通讯带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，使得数据在传输过程中不可避免地存在时延。时延由于受到网络所采用的通讯协议、负载状况、网络速率以及数据包大小等情况到影响，呈现出或固定或随机，或有界或无界的特征，从而导致控制系统性能下降甚至不稳定，也给控制系统的分析和设计带来困难。网络给NCS带来的主要问题包括：时延采样时刻和执行器响应时刻间出现了不可忽略的滞后;在某时间间隔内存在于时间相关的抖动;由于数据包在网络中传输发生丢失或冲突，导致时延增大甚至系统失稳。NCS的性能不仅依赖于控制策略及控制律器的设计，而且受到网络通讯和网路资源的限制。信息调度应尽可能避免网络中信息的冲突和拥塞现象的发生，从而大大提高网络化控制系统的服务性能。 网络化控制系统是综合自动化技术发展的必然趋势，是控制技术、计算机技术和通信技术相结合的产物。本书基于现场总线技术及自动化北京市重点实验室的科研成果，系统地介绍了网络化控制系统的组成原理、控制结构、建模方法，网络拥塞闭环控制机理，网络时延闭环控制方法，现场总线控制技术及应用，基于工业以太网的控制系统设计，基于Internet 和Web的网络远程控制系统设计。网络化控制系统软件开发技术，以及网络化控制技术在工业加热炉、工业锅炉和电厂锅炉湿法烟气脱硫中的应用。 在传统的计算机控制系统中，传感器和执行器都是与计算机实现点对点的连接，传递信号一般采用电压和电流等模拟信号。在这种结构模式下，控制系统往往布线复杂，从而增加了系统成本，降低了系统的可靠性、抗干扰性、灵活性和扩展性，特别在地域分散的情况下，传统控制系统的高成本、低可靠性等弊端更加突出。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巨大的技术变革，网络化控制系统（NetworkedControlSystem，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。 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（DistributedControlSystem，DCS）的诞生。在DCS出现之前，早期的计算机控制系统是直接数字控制（DirectDigitalControl，DDC），在这种控制结构中，所有传感器和执行器都与同一台计算机点对点的连接。由于当时计算机昂贵，系统一般采用集中式的体系结构，整个生产过程和控制策略都由一台计算机完成，即使是计算机一个单一的故障也会使整个系统及其所有回路失效。伴随着计算机成本的下降和网络技术的发展，（计算机）控制网络被首次引入到了控制系统，导致了DCS的产生。DCS将控制任务分散到若干小型的计算机控制器（也叫做现场控制站）中，每个控制器采用DDC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）之问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系统的实时运行状态进行监控，某个控制回路的
主排水系统智能化控制系统
正龙煤业城郊煤矿主排水泵房智能化控制系统 技术协议 甲方：河南省正龙煤业有限公司城郊煤矿 乙方：徐州上若科技有限公司 根据矿井自动化控制系统的发展需要，对城郊煤矿副井底主排水泵房进行智能化控制系统改造，经甲、乙双方充分技术探讨、方案协商，达成如下技术协议： 一、遵守的主要现行标准及规范 《煤矿安全规程》2009版 MT/T 1004-2006 《煤矿安全生产监控系统通用技术条件》 MT/T 1006-2006 《矿用信号转换器》 MT/T 1008-2006 《煤矿安全生产监控系统软件通用技术条件》 MT/T 1002-2006 《煤矿在用主排水系统节能监测方法和判定规则》 MT 381-2007 《煤矿用温度传感器通用技术条件》 AQ 1029-2007 《煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范》 AQ 1043-2007 《矿用产品安全标志标示》 二、现场设备情况 （1）水泵 MD580-70×8型，10台，流量580m3/h，扬程560m。 （2）电机 Y500-4型，10台，功率1250kW，额定电压6kV，额定电流143.1A，转速1480转/分。 （3）排水阀门 Z941H-64型 DN250 Pg64，手动操作。 （4）排水管路 Φ426×14 3趟。 （5）抽真空方式
射流方式，射流泵DSP-3型，射流阀DN25-64型，吸水阀DN20-64型。 （6）开关柜型号：KYGC-Z型，10台（保护器为DL型） （7）水仓 共3个，通过配水阀与吸水井相通。 三、系统技术要求 1．系统总体要求 城郊煤矿副井底主排水泵房智能化控制系统采用工业以太网、现场总线技术和可编程控制技术，对主排水系统进行在线监测和水泵自动化操作控制，实现水泵的各项运行参数在线实时监测、统计和显示，通过智能专家系统使水泵始终处于高效率的安全运行状态，通过故障参数进行分析、预警，防止事故发生。同时，可根据操作员指令或预定控制程序，自动完成水泵的定时启动、定水位启动、自动切换启动、智能经济运行等操作，自动控制分时运行、削峰填谷，实现水泵的高效经济运行和现场无人值守运行功能。系统既可现场就地操作控制，也可远程操作控制，当控制系统出现故障（即所有水泵均不能自动运行）时，可切换至手动方式（由水泵司机人工操作）启动水泵，确保主排水系统正常启动运行。乙方提供给甲方的矿井主排水智能化控制系统，必须达到以下技术要求和功能： 1、具有优先控制功能：系统根据检测的水泵历史工况数据使流量最大，吨/百米电耗最低的水泵优先启动。 2、正常情况下，根据小井水位（或水仓水位）系统能自动控制水泵启动、停运台数。当水仓水位高于警戒值（还没有达到安全极限值）需要启动两台水泵或两台以上水泵时，系统则应根据历史检测的水泵工况数据，优先依次启动流量大、吨/百米电耗低、压力（扬程）和流量与第一台在用水泵工况相接近的水泵。当水位低于临界水位需要停运一台或二台及以上的正在运行的水泵时，则应根据历史检测数据，优先依次停运流量较小、吨/百米电耗较高、压力（扬程）和流量相对较低的水泵。当水位排至最低水位时，所有水泵应自动停止运行。 非正常排水（排水抗灾或有淹井危险）时，应具有依次启动主排水泵房所有水泵的自动监测监控功能。 3、水位监测监控传感器采用超声波传感器，安装在与水仓相连的吸水小井内，且根据水位监测的实际情况，具有自动控制水泵依次启动运行或依次停运的
八旋翼无人机系统
八旋翼无人机系统 Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】
八旋翼无人机系统技术文件 一、产品名称：X-8八旋翼无人机系统 X-8是全新研制的八旋翼无人机系统，具有载重量大、续航时间长、体积小、重量轻、目标特性小，使用快捷、机动灵活、操作使用及维修简便等特点，自成体系独立执行电力巡检任务。 简介： X-8 八旋翼是专业无人机技术研发团队经过多年研究、测试，最新推出的一款全球同类产品载重量最大、可垂直起降、拥有多项专利的无人飞行系统。 1）X-8选用自主驾驶设备，大大提高飞控稳定性。 2）可携带多种任务载荷。 3）可用于执行资料收集、测量、检测、侦查等多种空中任务，在电力巡检领域能发挥其高效、隐蔽性强的特点，能对目标物进行远距离监视。 产品特点： （1）飞行器具有遥控、自主飞行能力，可以实时修改飞行航路和任务设置；（2）测控与信息传输设备具有遥控、实时信息传输的功能，具有多机、多站兼容工作及一定的抗截获、抗干扰能力； （3）侦察任务设备能昼夜实时获取目标图像信息，具有手动、自动控制工作模式，可迅速发现、捕获、识别、跟踪目标； （4）飞行控制与信息处理站具有对飞行器进行遥控飞行和对机载任务设备进行操控的功能，具有飞行参数/航迹显示、航路规划和实时修改飞行计划、重新设置任务样式的能力；具有通过视频实现第一视角控制飞行的能力；具有接收标准视频信号、实时处理/存储图像、数据叠加等能力，具有目标定位和引导打击的能力，且能与上级指挥机关、情报处理中心和指挥系统相通连； （5）地面保障设备具有简易检测、维修与训练的能力，具有快速更换易 损件、备用动力电池组和双模态充电的功能； （6）全系统外场展开迅速，具有车载大范围机动和携行能力。 机体结构技术参数：
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，
计算机控制系统试题及答案
计算机控制系统试卷一答案 一、简答题（每小题5分，共50分） 1、画出典型计算机控制系统的基本框图。答：典型计算机控制系统的基本框图如下： 2、根据采样过程的特点，可以将采样分为哪几种类型？ 答 (1) 周期采样指相邻两次采样的时间间隔相等，也称为普通采样。 (2) 同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同且同时进行采样，则称为同步采样。 (3) 非同步采样如果一个系统中有多个采样开关，它们的采样周期相同但不同时开闭，则称为非同步采样。 (4) 多速采样如果一个系统中有多个采样开关，每个采样开关都是周期采样的，但它们的采样周期不相同，则称多速采样。 (5) 随机采样若相邻两次采样的时间间隔不相等，则称为随机采样。 3、简述比例调节、积分调节和微分调节的作用。 答：(1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数K P 。比例调节器虽然简单快速，但对 于系统响应为有限值的控制对象存在静差。加大比例系数K P 可以减小静差，但是K P 过大时，会使系统的 动态质量变坏，引起输出量振荡，甚至导致闭环系统不稳定。 (2)积分调节器：为了消除在比例调节中的残余静差，可在比例调节的基础上加入积分调节。积分调节具有累积成分，只要偏差e不为零，它将通过累积作用影响控制量u，从而减小偏差，直到偏差为零。 积分时间常数T I 大，则积分作用弱，反之强。增大T I 将减慢消除静差的过程，但可减小超调，提高稳定 性。引入积分调节的代价是降低系统的快速性。 (3)微分调节器：为加快控制过程，有必要在偏差出现或变化的瞬间，按偏差变化的趋向进行控制，使偏差消灭在萌芽状态，这就是微分调节的原理。微分作用的加入将有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定。 4、线性离散控制系统稳定的充要条件是什么？ 答：线性离散控制系统稳定的充要条件是：闭环系统特征方程的所有根的模｜z i ｜<1，即闭环脉冲传递函数的极点均位于z平面的单位圆内。 5、为什么会出现比例和微分饱和现象？ 答：当给定值发生很大跃变时，在PID增量控制算法中的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大(由于积分项的系数一般小得多，所以积分部分的增量相对比较小)。如果该计算值超过了执行元件所允许的最大限度，那么，控制作用必然不如应有的计算值理想，其中计算值的多余信息没有执行就遗失了，从而影响控制效果。 二、已知系统的差分方程为（10分）
测控08《智能化测控系统》期末试卷-A卷
莆田学院期末考试试卷（A）卷 2011 — 2012 学年第一学期 课程名称：智能化测控系统适用年级/专业： 08/测控 试卷类别开卷（√）闭卷（）学历层次本科考试用时 120分钟 《考生注意：答案要全部抄到答题纸上，做在试卷上不给分》 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 一、填空题（每空2分，共30分） 1.按照系统工程的技术观点，产品生产的技术结构分为能量流、材料流和信息 流。 2.在一定条件下，可用常系数线性微分方程描述仪器的动态特性。 3.理想动态不失真仪器的幅频特性是与频率无关的常数，相频特性是与频率呈 线性关系。 4.在滑轨中移动的拖板，因滚珠的尺寸存在偏差而产生了滑动位置的偏移，这种误 差属于制造误差。 5.确定仪器精度指标一般依据微小误差原理和Mcp检测能力指数法。 6.阿贝误差的补偿可采用动态跟踪测量补偿和定点测量补偿。 7.减小力变形影响的最有效方法是补偿法法和结构设计法法。 8.部件装配时，要求设计基面和装配基面、测量基面一致。 9.光电系统要满足匹配原则，匹配的核心是正确选择光电检测器件。 二、单项选择题（每小题2分，共20分） 1. 距离测量仪器属于______仪器。 A. 几何量计量 B. 机械量计量 C. 热工量计量 D. 无线电参数测量 2. 当指示器与标尺表面不在同一平面时，观测者偏离正确观察方向进行读数和瞄 准所引起的误差是______。 A. 引用误差 B. 视差 C. 估读误差 D. 示值误差 3. 以下说法中错误的是_____。 A. 原理误差只与仪器的设计有关 B. 制造误差多为系统误差 C. 运行误差多为随机误差 D. 原始误差属于制造误差 4. 以下不属于 ．．．运行误差的是_____。 A. 采样过程中的采样脉冲不是理想脉冲
网络化控制系统研究综述_692
网络化控制系统研究综述_692 网络化控制系统研究综述 摘要:综述了网络化控制系统的研究现状，阐述了国内外学者从控制和信息调度角度对网络化控制系统进行稳定性分析、控制器设计、状态估计器设计以及基于模型的故障诊断和容错控制等方面的研究进展;在此基础上分析了网络化控制系统亟待解决的问题并展望了以后的研究方向。关键词:网络化控制系统;稳定性分析;控制器设计;调度;故障诊断 Survey on Status of Networked Control Systems ZHANG Wen-xia YUAN Jian Abstract: The state- of- arts of NCS (Networked Control Systems) is surveyed firstly, and then some advances on stability, controller design, state estimator, and model- based fault-diagnosis and fault-tolerant control and so on from control and scheduling are introduced in this paper. Last the demanding problems on NCS and future research fields are provided. Keywords: Networked Control Systems; stability analysis; controller design; scheduling; fault diagnosis 1 引言 网络化控制系统NCS(Networked Control Systems),又称集成通讯与控制系统ICCS(Integrated Communication and Control System)，最早可见于Ray A.等人发表的论文中。一般认为ICCS是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统，是将控制系统的传感器、控制器、执行器等单元通过通讯网络连接起来形成闭环的分布式控制系统。其涵盖了两方面的内容:系统节点的分布化和控制回路的网络化。这