1、控制系統中的控制器、傳感器和執行器通過網絡形成閉環的反饋控制系統，稱為網絡控制系統.(直接結構和分層結構) 網絡控制的特點：結構網絡化、節點智能化、控制現場畫和功能分散化、系統開放化和產品集成化網控的復雜性：(1) 網絡環境下，多用戶共享通信線路且流量變化不規則，這必然導致網絡時延，同時采用不同的網絡協議會使時延具有不同的性質；(2) 傳輸數據流經眾多的計算機和通訊設備且路徑不唯一，這會導致網絡時延和網絡數據包的時序錯亂；(3) 在網絡中由于不可避免地存在網絡阻塞和連接中斷，這又會導致網絡數據包的時序錯亂和數據包丟失。與傳統點對點結構系統比較: 可以實現資源共享實現遠程操作與控制具有高的診斷能

2、力安裝與維護方便能有效減少系統的重量與體積增加系統的靈活性與可靠性使用無線網絡技術，可以實現使用大量廣泛分布的廉價傳感器與遠距離的控制器、執行器構成某些特殊用途的NCS，這是傳統的點對點結構的控制系統所無法實現的。NCS研究內容一、對網絡的控制（Control of Network）：圍繞網絡的服務質量，從拓撲結構、任務調度算法和介質訪問控制層協議等不同的角度提出解決方案，滿足系統對實時性的要求，減小網絡時延、時序錯亂、數據包丟失等一系列問題?？梢赃\用運籌學和控制理論的方法來實現。二、通過網絡的控制（Control through Network）：指在現有的網絡條件下，設計相適應的NCS控制

3、器，保證NCS良好的控制性能和穩定性。可以通過建立NCS數學模型用控制理論的方法進行研究。三、NCS整體性能的優化與提高（綜合控制）：綜合考慮提高網絡性能和控制性能的基礎上，優化和提高整個NCS的性能。網絡服務質量：包括網絡吞吐量、傳輸效率、誤碼率、時延可預測性和任務的可調度性。系統控制性能：包括穩定性、快速性、準確性、超調和振蕩。面臨的基本問題：1、時變傳輸周期2、網絡調度3、網絡時延4、單包傳輸和多包傳輸5、數據包時序錯亂6、數據包丟失7、節點驅動方式8、時鐘同步所謂數據通信，就是指采用某種特定的方法，通過某種介質（如傳輸線）或渠道將信息從一處傳送到另一處的過程。通信的類型：模擬通信、數字

4、通信、數據通信計算機網絡:利用通信設備和線路把地理上分散的多臺自主計算機系統的聯系起來，在相應軟件的支持下，實現數據通信和資源共享為目標的系統。功能：信息交換、資源共享均衡使用網絡資源、分布處理、數據信息綜合處理、提高計算機安全可靠性。拓撲結構：總線型、星型、環型、混合型。通信：信息：傳送的內容，包括數字、文字、語言、圖形和圖像等。數據：網絡中傳輸的二進制代碼。與信息的區別：數據僅涉及事物的表示形式，信息涉及數據的內容和解釋。信道：信號傳輸的通道，包括通信設備和傳輸媒體。（傳輸媒體-有線無線、信號類型-模擬數字、使用權限-專用公用）。碼元和碼字：計算機網絡傳送每一位二進制數字稱為碼元或碼位。7

5、個碼元稱為碼字。數據通信與數字通信的不同之處是：數據-數字信息，數字-模擬信號。數據通訊方式：數據位的傳送方式-并行通信、串行通信。信息傳送方向-單工、半雙工、全雙工。連接方式-總線連接、調制/解調連接、過程I/O連接、高速數據通道連接。數據信息的傳輸有兩種基本形式：1、基帶傳輸，即直接利用基帶信號進行傳輸；2、頻帶傳輸，即將基帶信號用交流或脈沖信號調制后再傳輸。基帶信息表示方法： 單極性波形、雙極性波形、單極性歸零波形。雙極性歸零波形、交替雙極性歸零波形?；鶐鬏數奶攸c：(1)基帶信號傳輸，要求信道具有從直流到高頻的頻率特性。因此，在信息高速傳輸的NCS中，不能采用常規的傳輸介質，而應采用具

6、有很高通頻帶的同軸電纜或光纜。(2)基帶傳輸是按照數字信號波形的原樣進行傳輸的，它不需要調制解調器，因而設備投資少，維護費用低。但信號傳輸距離有限，僅適用于較小范圍的數據傳輸。調制是在發送端用基帶脈沖信號對載波波形的某個參數（如振幅、頻率、相位）進行控制，使其隨基帶脈沖的變化而變化，即把基帶信號變換成適合于模擬傳輸系統傳輸的交流信號。解調是在接收端將收到的調制信號進行與調制相反的轉換，使之恢復到原來的基帶脈沖信號。 未經調制載波振幅調制又稱振幅鍵控ASK。即用原始基帶脈沖信號控制載波的振幅變化，U（t）=Am*Sin（0+0）數字(1) U（t）=0 數字(0)頻率調制又稱為頻率鍵控FSK。

7、即用原始基帶脈沖信號控制載波的頻率變化。頻率調制所產生的調制波稱為“調頻信號”，頻率調制可分為兩種形式：相位連續調頻信號、相位不連續調頻信號U（t）=A0*Sin（1+0）數字(1) U（t）=A0*Sin（2+0）數字(0)相位調制又稱為相位鍵控PSK。 即用原始基帶脈沖信號控制載波的相位變化。相位調制所產生的調制波稱為“調相信號”，它可分為兩種形式：絕對移相調相信號、相對移相調相信號。U（t）=A0*Sin0t 數字(1) U（t）=A0*Sin(0t+) 數字(0) 數據傳輸速率：單位時間內傳送的信息量。分三種：（1）數據信號速率。 在數據通信中，每一位二進制符號（1或0）為一個比特（或

8、稱為碼元）。數據信號速率表示的是每一秒鐘內傳輸數據信息的比特數，單位為bit/s，國際上用bps表示。數據信號速率S的定義為： m并行傳輸的信道數；Ti第i條信道傳輸的符號的最小單位時間（秒）（2）調制速率。 表示每秒鐘內調制信號波的變換次數，單位為波特（Bd）。若用秒表示一個單位調制信號波的時間長度為T，則調制速率為： 數據信號速率S與調制速率B之間的關系為： （3）數據傳輸速率。是單位時間內傳送的信息量。信息量的單位可以是比特、字符、數據組等；時間的單位可以是秒、分甚至小時等。信道容量信道所具有的最大傳輸能力。信道容量C用極限傳輸速率（香農公式）表示 F信道帶寬（Hz）；S信道內傳輸的信號

9、平均功率（W）；N信道內白噪聲功率（W）誤碼率二進制碼元在傳輸系統中被傳錯的概率。 N傳輸二進制碼元的總數；Nc 被傳錯的碼元數，10-510-9 計算機之間10-9。異步傳輸方式在被送字符前后加起止位，實現定時的傳輸方式。（設備簡單費用低，輔助開銷大浪費時間，適用于低速101500字符/秒場合）同步傳輸大的數據塊一起發送，前后使用一些特殊字符進行標識，適用于高速場合。多路復用技術頻分多路復用（FDM）技術是把信道的頻譜分割成若干個互不重疊的小頻段，每條小頻段為一條子信道，相鄰頻段之間留有一空閑頻段以保證數據在各自頻段上可靠地傳輸。時分多路復用（TDM）技術是把信道的傳輸時間分割成許多時間段。

10、通信網絡是將地理位置不同，并具有獨立功能的多個計算機系統通過通信設備和線路連接起來，以功能完善的網絡軟件實現數據傳輸及資源共享的系統。通信網絡使用的信息交換技術：線路交換：指通過網絡中的節點在兩個站之間建立一條專用的物理線路進行數據傳送，當傳送周期結束后，立即“拆除”專用線路。特點：信息傳送的實時性好，各節點延時小，但一旦兩站連接建立起來，即使沒有數據傳送，其它站也不能使用線路上的任何節點，故線路的利用率較低。報文交換：在發送站將發往目的站的信息分割成一份份報文正文，并在報文正文前加上報頭（由發送地址、目的地址和其它輔助信息組成），在報文正文后面加上報尾（報文的結束標志），然后把報文交給節點傳

11、送。整個報文傳送由報頭控制，傳送中節點接收整個報文并予暫存，然后發送到下一個節點，直至目的站。特點：允許多個報文分時共享同一線路，其線路的利用率高；而且只要在報文上附上有關目的站的站名，可以把一個報文發送給多個目的站。但是報文要在節點上排隊等待，使傳輸時間延長。包交換也叫分組交換，它將一個較長報文分解成若干個較短的報文段，這些報文段稱之為“包” 或“報文分組” ，每個包上附加必要的傳送控制信息，并按規定的格式排列，以一個組合的整體作為一個信息交換單位。特點：綜合了線路交換和報文交換的優點，既具有良好的實時性，又具有較高的線路利用率和傳輸效率。隨機差錯主要是由傳輸介質或放大電路中電子熱運動產生的

12、白噪聲所引起的。突發差錯主要是由外界的沖擊噪聲所致，沖擊噪聲的持續時間可能相當長，幅度可能相當大，可以影響相鄰的多位數據。（成片出現）降低誤碼率的措施：1通過改善通信網絡及各站的電氣性能和機械性能，來降低誤碼率。（經濟技術制約）2在誤碼率不夠理想的情況下，由接收端檢驗誤碼，然后設法糾正誤碼。（常用） 差錯檢測奇偶校驗、行列監督、循環冗余。例： 設需編碼的信息碼為101（k=3），則該信息的對應的信息多項式為 m(x)=x2+1；若冗余碼位數r=4，生成多項式為g(x)=x4+x3+x2+1，求（7，3）循環碼。解：根據有碼多項式：上式對應的碼字為V=（1，1，0，1，0，0，1），故所求的（7

13、，3）循環碼為。糾錯方式重發糾錯方式、自動糾錯方式、混合糾錯方式網絡協議有一套所有“成員”（計算機網絡站點）共同遵守的“約定”，以便實現彼此的通信和資源共享（語法語義同步）OSI參考模型：1物理層（Physical）提供通信設備的電氣、特性、功能、過程等特性，以便建立、維持和折除物理連接（例如，信號的表示方法、傳送方向、所采用的編碼、傳輸速率，以及通信介質和連接件的規格及使用規則）。負責在物理線路上傳輸數據的位流(比特流)，為鏈路層服務2鏈路層（Data Link）用以建立相鄰節點之間的數據鏈路，確立鏈路使用權的分配，負責將被傳送的數據按幀結構格式化、傳送數據幀、進行差錯控制、介質方向控制、以

14、及物理層的管理。3網絡層（Network）用于傳輸信息包或報文分組，向上一層的傳輸層提供傳輸類型服務，負責通信網絡中路徑的選擇和擁擠控制。4傳輸層（Transport）用于建立不同節點間的通信信道、提供數據交換的可靠機制，完成信息確認、誤碼檢測、錯誤恢復、優先級調度、信息流的控制，確保數據無差錯、不丟失、不重復、按次序地傳送。向會話層提供所要求的傳送服務及其質量。傳輸層是用戶與通信設施間的聯系者。5會話層（Session） 用于建立和管理進程（程序為某個數據集合進行的一次執行過程）之間的連接，為進程之間提供對話服務，管理它們的數據交換，處理某些同步與恢復問題。會話層完成的主要通信管理和同步功能

15、是針對用戶的。6表達層（Presentation）用于向應用程序和終端管理程序提供一批數據變換服務，實現不同信息格式和編碼之間的轉換，以便處理數據加密、信息壓縮、數據兼容以及信息表達等問題。通常提供數據翻譯（編碼和字符集的轉換）、格式化（修改數據的格式）、語法選擇（對所用變換的初始選擇和隨后的修改）等服務項目。7應用層（Application）該層為用戶應用程序提供訪問OSI環境的服務(如，通信服務、虛擬終端服務、網絡文件傳送、網絡設備管理等)，該層具有相應的管理功能，支持分布應用的通用機制，解決數據傳輸完整性或收/發設備的速度匹配等問題。工業對象對網絡的基本要求:過程工業連續控制為主，算法復

16、雜，速度慢，流程長，對可靠性要求高，有分散化要求 制造工業邏輯控制為主，算法簡單，速度快，通常不必冗余，CPU不要求太分散 混合工業采集為主也混合邏輯控制.回路控制，單機控制多，要求成本低兩種趨勢1是現場有越來越多的信息需要往上送2是計算機通信技術越來越向下延伸。 控制網絡的特點(1) 系統的開放性(2) 互可操作性與互用性(3) 系統結構的高度分散性(4) 對現場環境的適應性(5) 一對結構(6) 可控狀態(7) 互換性 (8) 綜合功能 (9) 統一組態控制網絡的分類1隨機網絡：延遲時間是隨機的，如EtherNet 2有界網絡：延遲時間有確定的上界，如ConrolNet 3常值網絡：時間延

17、遲應保持一定，如DeviceNet網絡協議是為進行計算機網絡中的數據交換而建立的規則、標準或約定的集合。協議總是指某一層協議，準確地說，它是對同等實體之間的通信制定的有關通信規則約定的集合。 控制網絡與一般的信息網絡的不同點：1控制網絡中最基本的要求是數據傳輸的及時性和系統響應的實時性。信息網絡的響應時間要求不強烈，大部分時間忽略實時性（本質性的不同）2控制網絡強調在惡劣環境下數據傳輸的完整性和可靠性。3大多數企業自動化系統中，由于分散的單一用戶要借助控制網絡進入某個系統，通信方式多使用廣播或組播方式。信息網絡中某個自主系統與另一個自主系統一般都建立一對一通信。4控制網絡設計多種總線標準和多家

18、公司的產品在同一網絡中相互兼容，即互操作行的問題。而信息網絡標準單一，產品一般可以實現互操作。層次結構要點1除了在屋里媒體上進行的是實通信外，其余各對等實體間進行的同時虛通信。2對等層的虛通信必須遵循該層的協議。3層的虛通信時通過第n層與第n-1層間接口處n-1層提供的服務及n-1層的通信（通常也是虛通信）來實現的。層次劃分的原則1每層的功能應是明確的，并且是相互獨立的。2層間接口必須清晰，跨越接口的信息量應盡可能少。3層數應適中。網絡體系接口的特點1以功能為劃分層次的基礎。2第n層的實體在實現自身定義的功能時，只能使用第n-1層提供的服務。3第n層在向第n+1層提供服務時，此服務不僅包含第n

19、層本身的功能，還包含由下層服務提供的功能。4僅在相鄰層間有接口，且所提供服務的具體實現細節對上一層完全屏蔽?？刂凭W絡體系結構控制網絡一般由OSI參考模型的物理層、數據鏈路層、應用層三層模式體系結構和通信媒質構成，如：CAN、DeviceNet 。/也有在此基礎上加數據傳輸層的四層模式體系結構，如：profibus。/Lon Works控制網絡卻比較特殊，它采用全部OSI七層模式體系結構。/而ErherNet則采用物理層、數據鏈路層、傳輸層、網絡層和應用層五層模式體系結構。三層控制網絡的體系結構光纖的電信號傳輸過程 1-堅持CSMAa信道一但閑,數據以概率為1的原則發送b信道忙,連續監聽，直至監

20、聽到通道閑,返回a。(提高信道利用率)P-堅持CSMAa若信道閑，以0p1的概率發送，以概率(1-p)延遲一段時間再發送。b信道忙，則繼續偵聽到信道閑，返回a。（進一步提高利用率）非堅持CSMAa 監聽到數據閑，則發送;b監聽到數據“忙”，按一定退避算法延遲一段時間(這就是。非堅持的含義，返回a。優點: 采用隨機重傳時間減少碰撞概率。缺點: 延遲時間內可能會出現通道閑的情況，利用率不高控制網絡的特殊性：定常性的喪失：數據到達的時刻不再是定常和有規則的，更不能再用簡單的采樣時間來刻畫/完整性的喪失：由于數據在傳輸中可能發生丟失和出錯，數據不再是完整的，雖然數字控制中也可能有類似的問題，但發生的可

21、能性是處于不同的量級/因果性的喪失：由于網絡傳輸時間的不確定，先產生的數據可以遲于后產生的數據到達遠程控制系統，因此，數據到達的次序不再遵守因果關系/確定性的喪失：由于數據到達的隨機性，整個控制過程已不再是一個確定性的系統，而是一個隨機系統?？刂凭W絡的服務性能(QoS)指網絡控制系統采用的不同控制網絡協議，在網絡結構和通信性能上表現出來的特性或特點。（靜態服務性能和動態服務性能控制網絡中信息傳遞的時序過程1源節點內時序（源節點內處理器時延和源節點內通信等待時延）2網絡傳輸時序（數據幀發送時間和線路信號時延）3目的節點內時序（目的節點內通信等待時延和處理器時延）網絡傳輸時延所成功發送的數據幀由發

22、送隊列中產生到他們被目的節點接受時刻的間隔。它主要由隊列等待實驗、網絡堵塞時延和數據幀發送時間三部分構成。丟包率由于堵塞而丟失的數據幀與網絡生成總數據幀數目之比。以太網網絡傳輸時延的期望值為： Bframe為數據幀位數 s為以太網傳輸速度P-Net網絡最大傳輸時延為 FIP網絡最大傳輸時延為網絡總時延： 網絡平均時延： 節點平均丟包數：隨著采樣周期的不斷減小(網絡負載相應地逐漸增加)，三種控制網絡協議通訊實時和可靠性均逐漸降低。實時性和可靠性下降趨勢來看：TokenBus類型的P-Net性能好于主從Pollins類型FIP協議，FIP協議性能又好于以太網CSMA/CD協議。在相同采樣周期下，按

23、照網絡平均傳輸時延和丟包數由小到大排列，三者依次為：Ethemet、FIP、P-Net。理想控制系統要求采樣周期越小越好；理想網絡控制系統要求采樣周期越大越好。在控制網絡系統中，隨著采樣周期的減小，網絡負荷雖然增大但網絡運行性能不變，故系統性能逐漸提高；但是當采樣周期減小到一定程度后，更多更頻繁的數據傳輸導致網絡QoS的降低，即網絡負荷超過了網絡有限的承載能力，使網絡時延增大，甚至引起抖動、丟包等問題，此時不但不能保證原有的系統性能，反而會導致系統性能的下降和惡化，從而影響了控制的效果。帶有時延的網絡控制系統采樣周期的選取范圍為：穩定性描述的是網絡控制系統行為特征的確定性和抗干擾能力，是由控制

24、網絡和控制系統兩方面來決定的；控制網絡的不穩定將有可能直接導致整個系統的不穩定最大傳輸間隔執行其接受到相鄰兩個控制信號的最大允許時間間隔。網絡控制系統研究內容 1對網絡的控制對網絡節點、網絡數據流量等的調度與控制，是對網絡自身的控制, 其目的是為了提高網絡的服務質量2通過網絡進行控制指控制系統的各節點（傳感器、控制器、執行器等）之間通過網絡進行連接并傳輸數據，針對網絡的不確定特性，通過設計先進的控制算法來提高整個網絡控制系統的質量。網絡調度問題指網絡中的節點在共享的網絡資源中發送數據，并且發生碰撞時，規定數據包以怎樣的優先級（順序）和何時發送數據包的問題。研究層面1設計介質層網絡的通信協議，稱

25、為協議層調度（指數據鏈路層通過一個鏈路活動調度器控制現場裝置對總線的訪問，通常是網絡接口設備按照特定的協議規范來決定那些并發數據包的發送順序）缺乏靈活性，少數用2設計應用層的節點優化調度算法，稱為應用層調度（指上層（傳輸層以上）的應用程序根據需要來主動地決策數據的發送規則，該規則與具體的網絡協議無關）根據控制網絡的時間延遲特性,網絡可分為三類隨機網絡、有界網絡和常值網絡.網絡調度方法1借用CPU調度方法2設計網絡調度協議3調度與控制協同設計4反饋控制實時調度1到達時間（ai）：數據包形成，開始加入發送隊列，準備發送。此為一個發送周期的開始。2開始發送時刻（si）：數據包開始發送的時刻。3阻塞時

26、間（bi）：數據包達到后，等待直至開發發送所需要的時間，即 bi=si-ai 網絡數據包的傳輸中任務是非搶優的，bi由兩部分組成：bh,i：等待所有更高優先級的任務傳輸完畢的時間bl,i：正在發送的較低優先級的任務發送完畢所需要的時間，其最大值分別記為： 4傳輸時間（ci）：數據包由源地址經網絡傳送到目的地址所需要的時間，一般由數據包的大小和網絡介質的速率決定。5完成時間（fi）：一次傳輸結束的時間。6傳輸時延（i）：數據包到達隊列至數據包完成數據包傳輸完成之間的時間。顯然 7時限（di）：為保證NCS的性能，傳輸必須在某個時間之前完成，該時間就稱為時限。8、網絡占用率（U）： 其中NCS中N

27、個對象的傳感器按周期 pi 發送數據。9、可調度性：指網絡控制系統的所有數據傳輸都能在任務時限內完成網絡調度的幾種基本方法：協議層調度、TOD網絡調度協議、反饋控制實時調度。實時系統在確定的時間內執行計算或處理事務并對外部的異步事件做出響應的計算機系統。實時系統分類硬實時系統：如果一個系統未能在指定時間內就某一事件做出響應而失敗，則該失敗被認為是一種全面的系統失敗。一般用于航天系統或核反應堆系統，系統較復雜。/軟實時系統：系統對某些任務的響應時間允許一定程度上的超時限，而不會導致系統的失敗。大多數系統都屬于軟實時系統，網絡控制系統通常是軟實時系統實時系統區別于一般系統通用系統一般追求的是系統的

28、平均響應時間和用戶使用系統的方便，而實時系統主要考慮的是系統在最壞情況下的紫銅行為。實時系統特點時間約束性、可預測性、可靠性、與外部環境的交互作用性 核心實時調度。實時調度算法特征硬實時與軟實時、搶優與非搶優、動態與靜態、集中與分布調度給定一組實時任務和系統資源，確定每個任務何時何地執行的整個過程。實時調度在確定的時間內執行計算或處理事務并對外部的異步事件做出響應的計算機系統。也可稱為CPU（處理器）調度算法，基本上分為兩類：靜態調度和動態調度。網絡調度與實時調度比較相同點：都有共享資源的限制。/實時系統：多個任務不能同時使用CPU的計算資源/網絡系統：多數據共用一條網絡傳輸介質/不同點：實時

29、系統：調度是可以搶優的/網絡系統：調度是可以非搶優的RM算法 一組n個相互獨立、可搶優的實時周期任務，用RM算法的可調度條件為任務的總占有率U滿足如下不等式： 例子：兩個并發的周期實時任務，執行時間為c1=c2=3ms，任務周期為h1=4ms，h2=6ms，任務時限d1=h1，d2=h2。計算RM算法的可調度性。解：任務的占有率為：RM算法的可調度條件可知用RM算法不可調度。NCS的RM調度算法: 一組n個相互獨立、非搶優的實時周期任務（其優先級按下標值遞減，下標 i 為1任務的優先級最高，下標 i 為N任務的優先級最低），其可調度條件為對于所有的 都滿足如下不等式：例子：同樣對于例 5.1，

30、對于任務1，即i=1，應用非搶優RM可調度定理，有對于任務2，即i=2，應用非搶優RM可調度定理，有由非搶優RM算法的可調度條件可知：用非搶優RM算法不可調度。EDF算法：一組n個相互獨立的實時周期任務，用EDF算法的可調度條件為任務的總占有率U滿足 其中 ci 為任務所需的執行時間，hi 為任務的周期例子：兩個并發的周期實時任務，執行時間為c1=c2=3ms，任務周期為h1=6ms，h2=4ms，任務時限d1=h1，d2=h2。計算EDF算法的可調度性。解：任務的占有率為： 不可調度與RM算法比較，此時任務1獲得了更多的資源，即EDF算法對資源的分配更加均衡。/由于軟實時系統在某種程度上能夠

31、承受部分的任務超過時限的要求，因此EDF算法的均衡調度對于軟實時系統任務的保證是很重要的。NCS的EDF令 為有n個任務的任務集，其中 是一系列按周期非遞減順序排列的周期性任務，ci 為任務Ti 的最長執行時間，hi 為任務Ti 的周期，di = hi 為任務Ti 的時限，則當且僅當以下條件成立，T 在非搶優EDF調度算法下可調度：例子：設實時系統中有如下4個任務，任務的時間屬性如表 di = hi 判斷是 否可調度：解：令 處理器利用率：表2中給出了 取不同值時任務集的時間需求關系。由表中數據可以看出， i 取值不同時，均滿足可調度條件。網絡控制系統調度與控制的協同設計1）NCS是由網絡和控

32、制組成的控制系統，其閉環性能不僅依賴于控制算法的設計，還依賴于對網絡資源的合理調度。2）合適的傳輸協議和調度策略可以保證網絡的服務質量。3）NCS中的采樣周期同時涉及控制與調度兩個方面，因此，綜合考慮控制與網絡調度兩個方面指標的NCS中采樣周期的優化選擇，就是調度與控制協同設計的一個基本的途徑。人工神經網絡（簡稱神經網絡）是模擬人腦思維方式的數學模型。神經網絡是在現代生物學研究人腦組織成果的基礎上提出的，用來模擬人類大腦神經網絡的結構和行為。神經網絡反映了人腦功能的基本特征，如并行信息處理、學習、聯想、模式分類、記憶等。(發展經歷4個階段-啟蒙期（1890-1969年）、低潮期（1969-19

33、82）、復興期（1982-1986）、新連接機制時期（1986-現在）) 神經元由三部分構成1）細胞體（主體部分）：包括細胞質、細胞膜和細胞核2）樹突：用于為細胞體傳入信息3）軸突：為細胞體傳出信息，其末端是軸突末梢，含傳遞信息的化學物質4）突觸：是神經元之間的接口（104105個/每個神經元）。 通過樹突和軸突，神經元之間實現了信息的傳遞。神經元具有如下功能興奮與抑制：如果傳入神經元的沖動經整和后使細胞膜電位升高，超過動作電位的閾值時即為興奮狀態，產生神經沖動，由軸突經神經末梢傳出。如果傳入神經元的沖動經整和后使細胞膜電位降低，低于動作電位的閾值時即為抑制狀態，不產生神經沖動。/學習與遺忘：

34、由于神經元結構的可塑性，突觸的傳遞作用可增強和減弱，因此神經元具有學習與遺忘的功能。決定神經網絡模型性能三大要素為1)神經元（信息處理單元）的特性2)神經元之間相互連接的形式拓撲結構3)為適應環境而改善性能的學習規則。根據神經網絡的連接方式，神經網絡可分為兩種形式1）前向網絡神經元分層排列，組成輸入層、隱含層和輸出層。每一層的神經元只接受前一層神經元的輸入。輸入模式經過各層的順次變換后，由輸出層輸出。在各神經元之間不存在反饋。感知器和誤差反向傳播網絡采用前向網絡形式。2)反饋網絡該網絡結構在輸出層到輸入層存在反饋，即每一個輸入節點都有可能接受來自外部的輸入和來自輸出神經元的反饋。這種神經網絡是

35、一種反饋動力學系統，它需要工作一段時間才能達到穩定。Hopfield神經網絡是反饋網絡中最簡單且應用最廣泛的模型，它具有聯想記憶的功能3) 自組織網Kohonen網絡是最典型的自組織網絡。Kohonen認為，當神經網絡在接受外界輸入時，網絡將會分成不同的區域，不同區域具有不同的響應特征，即不同的神經元以最佳方式響應不同性質的信號激勵，從而形成一種拓撲意義上的特征圖，該圖實際上是一種非線性映射。這種映射是通過無監督的自適應過程完成的，所以也稱為自組織特征圖.Kohonen網絡通過無導師的學習方式進行權值的學習，穩定后的網絡輸出就對輸入模式生成自然的特征映射，從而達到自動聚類的目的。 神經網絡的學

36、習算法有多種按有無導師分類，可分為有教師學習、無教師學習和再勵學習等幾大類在有教師的學習方式中，網絡的輸出和期望的輸出（即教師信號）進行比較，然后根據兩者之間的差異調整網絡的權值，最終使差異變小。在無教師的學習方式中，輸入模式進入網絡后，網絡按照一預先設定的規則（如競爭規則）自動調整權值，使網絡最終具有模式分類等功能。再勵學習是介于上述兩者之間的一種學習方式。最基本的神經網絡學習算法Hebb學習規則是一種聯想式學習算法。生物學家D.O.Hebbian基于對生物學和心理學的研究，認為兩個神經元同時處于激發狀態時，它們之間的連接強度將得到加強，這一論述的數學描述被稱為Hebb學習規則，即 其中，

37、為連接從神經元 Uj 到神經元Ui的當前權值， 和 為神經元的激活水平。/Hebb學習規則是一種無教師的學習方法，它只根據神經元連接間的激活水平改變權值，因此，這種方法又稱為相關學習或并聯學習。Delta（）學習規則（誤差修正規則）假設誤差準則函數為：其中， 代表期望的輸出（教師信號）； 為網絡的實際輸出， ； 為網絡所有權值組成的向量： 為輸入模式： 其中訓練樣本數為 。神經網絡學習的目的是通過調整權值W，使誤差準則函數最小。權值的調整采用梯度下降法來實現，其基本思想是沿著E的負梯度方向不斷修正W值，直到E達到最小。數學表達式為：其中 令 則： W的修正規則 為神經網絡具有以下幾個特征1）能

38、逼近任意非線性函數2）信息的并行分布式處理與存儲3) 可以多輸入、多輸出4）便于用超大規模集成電路（VISI）或光學集成電路系統實現，或用現有的計算機技術實現5）能進行學習，以適應環境的變化。神經網絡控制的研究領域1 基于神經網絡的系統辨識 將神經網絡作為被辨識系統的模型，可在已知常規模型結構的情況下，估計模型的參數。 利用神經網絡的線性、非線性特性，可建立線性、非線性系統的靜態、動態、逆動態及預測模型，實現非線性系統的建模和辨識。 2) 神經網絡控制器 神經網絡作為實時控制系統的控制器，對不確定、不確知系統及擾動進行有效的控制，使控制系統達到所要求的動態、靜態特性。 3) 神經網絡與其他算法

39、相結合將神經網絡與專家系統、模糊邏輯、遺傳算法等相結合，可設計新型智能控制系統 4) 優化計算 在常規的控制系統中，常遇到求解約束優化問題，神經網絡為這類問題的解決提供了有效的途徑。 目前，神經網絡控制已經在多種控制結構中得到應用，如PID控制、模型參考自適應控制、前饋反饋控制、內模控制、預測控制、模糊控制等。單神經元模型可描述為 通常情況下，取 即 常用的神經元非線性特性有以下四種 閾值型分段線性型 Sigmoid函數型 誤差反向傳播的BP算法簡稱BP算法，其基本思想是梯度下降法。它采用梯度搜索技術，以期使網絡的實際輸出值與期望輸出值的誤差均方值為最小。BP網絡特點1）是一種多層網絡，包括輸

40、入層、隱含層和輸出層2）層與層之間采用全互連方式，同一層神經元之間不連接3）權值通過學習算法進行調節4）神經元激發函數為S函數5）學習算法由正向傳播和反向傳播組成6）層與層的連接是單向的，信息的傳播是雙向的。BP網絡結構 含一個隱含層的BP網絡結構如圖7-5所示，圖中 為輸入層神經元， J為隱層神經元， K 為輸出層神經元。 BP網絡是一種單向傳播的多層前向網絡BP算法的學習過程由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播過程中，輸入信息從輸入層經隱層逐層處理，并傳向輸出層，每層神經元（節點）的狀態只影響下一層神經元的狀態。如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉至反向傳播，將誤差信號（理想輸出與實際輸出

41、之差）按聯接通路反向計算，由梯度下降法調整各層神經元的權值，使誤差信號減小。 BP網絡的優點1）只要有足夠多的隱層和隱層節點，BP網絡可以逼近任意的非線性映射關系2）BP網絡的學習算法屬于全局逼近算法，具有較強的泛化能力。3）BP網絡輸入輸出之間的關聯信息分布地存儲在網絡的連接權中，個別神經元的損壞只對輸入輸出關系有較小的影響，因而BP網絡具有較好的容錯性。BP網絡的主要缺點1）待尋優的參數多，收斂速度慢2）目標函數存在多個極值點，按梯度下降法進行學習，很容易陷入局部極小值3）難以確定隱層及隱層節點的數目。目前，如何根據特定的問題來確定具體的網絡結構尚無很好的方法，仍需根據經驗來試湊。由于BP

42、網絡具有很好的逼近非線性映射的能力，該網絡在模式識別、圖像處理、系統辨識、函數擬合、優化計算、最優預測和自適應控制等領域有著較為廣泛的應用/由于BP網絡具有很好的逼近特性和泛化能力，可用于神經網絡控制器的設計。但由于BP網絡收斂速度慢，難以適應實時控制的要求。RBF神經網絡具有單隱層的三層前饋網絡。由于它模擬了人腦中局部調整、相互覆蓋接收域（或稱感受野-Receptive Field）的神經網絡結構，因此，RBF網絡是一種局部逼近網絡，已證明它能任意精度逼近任意連續函數。RBF網絡特點1) RBF網絡的作用函數為高斯函數，是局部的，BP網絡的作用函數為S函數，是全局的2) 如何確定RBF網絡隱

43、層節點的中心及基寬度參數是一個困難的問題3) 已證明RBF網絡具有唯一最佳逼近的特性，且無局部極小。RBF網絡結構RBF網絡是一種三層前向網絡，由于輸入到輸出的映射是非線性的，而隱含層空間到輸出空間的映射是線性的，從而可以大大加快學習速度并避免局部極小問題。 對角回歸型神經網絡（DRNN）是具有反饋的動態神經網絡，該網絡能夠更直接更生動地反映系統的動態特性，它在BP網絡基本結構的基礎上，通過存儲內部狀態使其具備映射動態特征的功能，從而使系統具有適應時變特性的能力，DRNN網絡代表了神經網絡建模和控制的方向。DRNN網絡結構 DRNN網絡是一種三層前向網絡，其隱含層為回歸層。正向傳播是輸入信號從

44、輸入層經隱層傳向輸出層，若輸出層得到了期望的輸出，則學習算法結束；否則，轉至反向傳播。反向傳播就是將誤差信號（理想輸出與實際輸 出之差）按聯接通路反向計算，由梯度下降法調整各層神經元的權值和閾值，使誤差信號減小。 模糊控制的特點模糊控制是建立在人工經驗基礎之上的。對于一個熟練的操作人員，他往往憑借豐富的實踐經驗，采取適當的對策來巧妙地控制一個復雜過程。若能將這些熟練操作員的實踐經驗加以總結和描述，并用語言表達出來，就會得到一種定性的、不精確的控制規則。如果用模糊數學將其定量化就轉化為模糊控制算法，形成模糊控制理論。模糊控制理論具有一些明顯的特點1）模糊控制不需要被控對象的數學模型。模糊控制是以

45、人對被控對象的控制經驗為依據而設計的控制器，故無需知道被控對象的數學模型。2）模糊控制是一種反映人類智慧的智能控制方法3）模糊控制易于被人們接受。模糊控制的核心是控制規則，模糊規則是用語言來表示的，如“今天氣溫高，則今天天氣暖和”，易于被一般人所接受。4）構造容易。模糊控制規則易于軟件實現5）魯棒性和適應性好。通過專家經驗設計的模糊規則可以對復雜的對象進行有效的控制。 模糊集合是模糊控制的數學基礎。(隸屬度)隸屬函數的確定方法模糊統計法、主觀經驗法、神經網絡法模糊控制原理模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能

46、控制方法。該方法首先將操作人員或專家經驗編成模糊規則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執行器上。模糊控制系統所選用的模糊控制器維數越高，系統的控制精度也就越高。但是維數選擇太高，模糊控制規律就過于復雜，這是人們在設計模糊控制系統時，多數采用二維控制器的原因。模糊控制的應用在家電中的應用1)模糊電視機2) 模糊空調3) 模糊微波爐4) 模糊洗衣機5) 模糊電動剃刀,在過程控制中的應用1)工業爐2)石化3)煤礦4)食品加工行業模糊控制的發展方向Fuzzy-PID復合控制、自適應模糊控制、專家模糊控制、神經模糊控制、多變量模

47、糊控制。交運算算子設C=AB，有三種模糊算子：模糊交算子代數積算子有界積算子并運算算子設C=AB，有三種模糊算子：模糊并算子概率或算子有界和算子平衡算子當隸屬函數取大、取小運算時，不可避免地要丟失部分信息，采用一種平衡算子，即“算子”可起到補償作用。 設C=AoB，則 取值為0，1。 當=0時，相當于AB時的算子。當=1時， ，相當于AB時的算子。例3-10 設 例 3-11 設則A和B的合成為： 其中 例3-9 設論域x=a1，a2，a3，y=b1，b2，b3，z=c1，c2，c3，已知 ， 。試確定“If A AND B then C”所決定的模糊關系R，以及輸入為 , 時的輸出C1。解：

48、AB=將AB矩陣擴展成如下列向量(AB)T1=R=(AB)T1C= =當輸入為A1和B1時，有: (A1B1)= 將A1B1矩陣擴展成如下行向量(AB)T2=最后得: C1=即：C1= 模糊關系方程概念 可分為兩種情況討論 1）已知輸入A和模糊關系R，求輸出B，這是綜合評判，即模糊變換問題。2）已知輸入A和輸出B，求模糊關系R，或已知模糊關系R和輸出B，求輸入A，這是模糊綜合評判的逆問題，需要求解模糊關系方程。例3.10 解方程解： 由方程得 顯然三個括弧內的值都不可能超過0.4。由于 是顯然的，因此 x2可以取0,1的任意值，即x2=0,1?，F在只考慮：(1) 設0.6x1=0.4，0.4x

49、30.4則 ，即方程的解為 (2) 設0.6x10.4，0.4x3=0.4，則即方程的解為 作業題1在非實時系統中，調度的主要目的是減小系統平均響應時間，提高系統資源利用率，或優化某一項指標；而實時調度的目的則是要盡可能的保證每個任務滿足他們的時間約束，及時對外部請求做出響應。2網絡調度和CPU調度之間有著很大的相似性即他們都有共享資源的限制。在CPU調度中，多個任務不能同時使用CPU的計算資源；而網絡調度的資源約束在于多數據共用一條傳輸介質，在分時傳輸方式下一次只能傳輸一個數據包。網絡調度和CPU調度之間的不同之處在于CPU調度是可以搶優的，即正在執行的任務會被后到的優先級跟高的任務所中斷；

50、而網絡調度是不可搶優的，即數據包傳輸一旦開始，就不能被其他高優先級的數據包所中斷，直到傳輸結束。3目前應用層的網絡調度方法主要有4種1）借用CPU調度方法 目前借用單處理器的網絡調度方法主要有兩種：a）靜態調度：對于調度算法而言，各任務的發送規則是事先確定的，如時限、計算時間、優先權關系、任務釋放時間等。以RM（Rate Monotonic）算法及其衍生算法為代表。b）動態調度：任務的時間約束關系并沒有完全確定，新任務的到達時間是未知的，在網絡資源充足的環境下，系統仍然能夠保證所有的任務時限。以EDF（Earliest Deadline First）算法及其衍生算法為代表。2）設計網絡調度協議

51、 借鑒單處理器動態調度的思想，結合控制系統的特點，設計開發新的網絡節點數據發送規則。其特點是在網絡控制系統穩定的前提下，保證網絡節點的動態優化調度。典型方法是Walsh等人提出的一種給時間關鍵信息動態分配網絡資源的TOD(try-once-discard)協議。3）調度與控制協同設計 指在網絡控制系統設計中，將系統控制與網絡優化統一考慮，研究在滿足系統控制指標條件下的網絡調度方法，以及同時滿足系統控制指標優化和網絡可調度性的采樣周期的選擇方法。4）反饋控制實時調度 一般實時調度算法是一種開環調度算法，即一旦調度確立，就不能根據連續的反饋來進行相應地調整。反饋控制實時調度指將反饋控制的思想應用到

52、實時調度算法中，根據網絡反饋回來的信息來調節任務或調度器的參數，從而有效地提高網絡系統的傳輸性能4根據控制網絡的時間延遲特性，網絡可分為三類:隨即網絡、有界網絡、常值網絡5網絡控制系統研究內容 1）對網絡的控制(Control of Network)：對網絡節點、網絡數據流量等的調度與控制，是對網絡自身的控制, 其目的是為了提高網絡的服務質量（QoS, Quality of Service）2）通過網絡進行控制（Control through Network）：指控制系統的各節點（傳感器、控制器、執行器等）之間通過網絡進行連接并傳輸數據，針對網絡的不確定特性，通過設計先進的控制算法來提高整個網

53、絡控制系統的質量（QoP, Quality of control Performance）.(1)常規PID控制器：理想模擬PID控制器的為：式中，KP 為比例系數，KI 為積分系數，KD 為微分系數。采用雙線性變換法，將上式離散化，得到：其中 h 為采樣周期。于是得到位置式PID控制器：增量式或速度式PID控制器：（2）NCS局部模糊自適應PI控制器 ：設計原理：1）按照沒有網絡的影響設計控制器2）在PID控制器的輸出增加一個可調參數，相當于對PID控制參數同時進行適應性修正。FC采用了一維模糊控制器，其中輸入是系統輸入和對象輸出的偏差 e，輸出是 ，控制規則選用Takagi-Sugeno模糊規則。輸入變量e和輸出變量 的隸屬度函數如下：模糊控制規則如下if e is Small, then if e is Large, then 其中 ，i=1,2 是和 對應的跟隨參數。 解模糊采用加權平均法：則PI控制器的輸出為跟隨參數的調整用最速下降算法：其中： 是下降速率， h 為采樣周期。（3）NCS 的Smith 預估控制設計原理:1.在系統的反饋回路中引入補償裝置，將控制