控制网络系统及网络控制技术
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。
动车组网络控制系统及其技术分析
动车组网络控制系统及其技术分析摘要：动车组网络控制系统(TCMS)系统是一列车的神经中枢，负责完成与各个子系统之间的数据传输、逻辑控制、故障诊断等工作，是一列车能够安全运行的保障。
现在世界各国轨道交通行业中，TCN网络无论是在动车组、地铁还是轻轨，都得到了广泛的应用。
关键词：动车组；网络控制系统；技术前言迄今为止，我国铁路已经经历了6次大提速，列车运行速度不断加快，不仅方便了人们的出行，同时也进一步加深了我国各地区之间的联系。
列车运行的基础是安全，尤其是在当前列车运行速度进一步提升的隋况下，安全是重中之重。
网络控制系统作为整个动车组的中枢神经，是动车组平稳安全运行的重要保障。
1网络控制系统CR400BF动车组通信网络由WTB(列车总线)与MVB(多功能车辆总线)构成，属于2级通信网络，二者的数据传输速率略有差异。
动车组网络控制系统的基本构成为：中央控制单元、输入输出模块、无线传输装置、司机显示屏、、MVB中继器、网关、牵引控制装置、制动控制装置、空调控制装置、辅助变流器装置、旅客信息系统、车门控制装置以及充电机控制装置。
2动车组网络控制系统关键技术2.1以太网通信网络控制技术动车组采用以太网作为数据传输总线，总线通信控制方案同样采用传统网络的两级总线架构，分为列车级总线和车辆级总线，并由最小的可配置编组单元通过列车级以太网线级联构成整个列车通信网络。
实现不同的最小可编组单元的级联，为列车快速地建立起一个高可靠性的灵活可配置的控制网络，提高传输列车控制信息的实时性，确保列车的正常运行；车辆级总线采用线性拓扑结构，传输速率为100Mbit／s，使用TRDP协议进行封装传输，符合IEC61375—3—4标准。
最小可编组单元设有ECN，其中ECN可以根据可配置编组单元内含有的车辆数灵活增加，通过ECN级联，实现可配置编组单元内子系统与网络控制系统的建列车级以太网车辆级以太网车辆控制器数据采集模块远程数据传输装置通信，实现以太网数据交换。
《计算机控制及网络技术》-第5章 计算机控制系统间接设计法
1. 离散与连续等效设计的基本步骤
2.离散与连续等效设计方法 3.数字PID控制器设计 4.改进的数字PID控制算法 5.数字PID控制器的参数整定
1离散与连续等效设计的基本步骤
s
连续域－离散化设计是先在连续域（ 平面）上进 行控制系统的分析、设计，得到满足性能指标的连续控 制系统，然后再离散化，得到与连续系统指标相接近的 计算机控制系统。下面具体说明设计步骤：
D( s)
Y ( s)
这里的采样保持器是一个虚拟的数字模型，而不是实际 硬件。由于这种方法加入了零阶保持器，对变换所得的 离散滤波器会带来相移，当采样频率较低时，应进行补 偿。零阶保持器的加入，虽然保持了阶跃响应和稳态增 益不变的特性，但未从根本上改变Z变换的性质。
阶跃响应不变法
阶跃响应不变法的特点如下： 若 D( s )稳定，则相应的 D( z )也稳定； D( z ) 和 D( s ) 的阶跃响应序列相同；
零、极点匹配z变换
6、零、极点匹配z变换法 所谓零、极点匹配z变换法，就是按照一定的规则 把的 G ( s ) 零点映射到离散滤波器 D( z ) 的零点，把G ( s )的 极点映射到 D( z )的极点。极点的变换同z变换相同，零 点的变换添加了新的规则。 设连续传递函数
G ( s的分母和分子分别为n阶和m阶，称 )
sT
G ( s ) 所有的在 点。
s 处的零点变换成在
z 1 处的零
如需 D( z ) 要的脉冲响应具有一单位延迟，则 D( z ) 分子 的零点数应比分母的极点数少1。
要保证变换前后的增益不变，还需进行增益匹配。
零、极点匹配z变换
例5.2
自动控制原理网络控制知识点总结
自动控制原理网络控制知识点总结自动控制原理是指利用现代计算机和网络技术，对工业过程进行监测、控制和调节的一门学科。
在当今工业生产中，网络控制已经成为不可或缺的一部分。
本文将就自动控制原理中的网络控制知识点进行总结和分析，以帮助读者更好地理解和应用这一领域的知识。
一、网络控制基础知识网络控制是在现代计算机和网络技术的支持下实现的，因此对于网络控制的学习，首先需要了解计算机网络和控制系统的基本概念。
1. 计算机网络计算机网络是指将多台计算机通过通信链路连接在一起，共享资源并进行信息交流的系统。
计算机网络的组成部分包括服务器、客户端、路由器、交换机等。
2. 控制系统控制系统是指用来控制和调节工业过程的系统。
根据反馈信号的不同，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。
二、网络控制的主要技术1. 远程监控远程监控是指通过网络将工业过程中的数据传输到中心控制室，实时监测工业过程中的各项指标，并根据需求进行相应的控制和调节。
2. 自动化控制自动化控制是指通过计算机和网络技术，将传感器采集到的数据输入到控制计算机中进行处理，然后通过执行机构对工业过程进行控制和调节，实现自动化的控制。
3. 数据采集数据采集是网络控制中的重要环节，通过传感器将工业过程中的数据采集到计算机中进行处理和分析，为后续的控制决策提供依据。
4. 调度管理调度管理是指根据工业过程的特点和需求，合理安排生产计划和资源的分配，通过网络控制实现对工业过程的调度和管理，提高生产效率和质量。
5. 通信协议通信协议是网络控制中不可或缺的一部分，它规定了计算机和网络设备之间进行通信所必须遵循的规则和标准，确保网络控制的稳定和可靠。
三、网络控制的应用领域1. 工业自动化工业自动化是网络控制的重要应用领域之一。
通过网络控制可以实现对工厂设备、生产线等的自动化控制和管理，提高生产效率和产品品质。
2. 智能交通系统智能交通系统是指利用网络和控制技术对交通系统进行监测、控制和管理的系统。
动车组网络控制系统及技术分析
动车组网络控制系统及技术分析摘要：动车组的网络控制系统相当于人的大脑和神经，它在保证列车的行车安全、可靠性、舒适性方面具有至关重要的作用。
为了给相关产品的网络控制系统设计提供借鉴，通过梳理中车已有典型动车组产品的网络控制系统，提取共性特征，总结归纳了动车组网络控制系统的组成、系统功能、拓扑功能、主要参数等内容。
同时，乘客需求的提升以及轨道交通装备技术的不断升级，对动车组在速度、舒适性、智能化等方面提出了更高要求，为了明确动车组列车网络控制系统的发展方向，通过查询专利文献等途径，得出动车组网络控制系统新技术研究多集中在多网融合、列车冗余优化设计、列车自动驾驶、无线通信等方向，可以为轨道交通技术特别是网络控制系统技术的相关研究提供参考。
关键词：动车组；网络控制系统；多网融合；轨道交通技术引言动车组的控制、监测与诊断系统（简称ＴＣＭＳ）是车载分布式的计算机网络系统，承担动车组牵引及制动控制等指令的传输，同时对列车上的主要设备进行状态监测，并具有故障诊断及故障记录功能。
信息通过车载网络进行传输，从而减轻了列车重量并提高了系统可靠性。
该系统能够给司乘人员提供操作指导，并给维修人员提供技术支持。
本文总结中车已有典型动车组产品的网络控制系统技术，提取共性要素，对动车组的网络控制系统进行简单介绍。
1动车组网络控制系统组成网络控制系统组成主要有：主处理单元／网关单元（ＣＣＵ／ＧＷ）、主控／网关／事件记录仪单元（ＣＣＵ／ＧＷ／ＥＲＭ）、远程输入输出单元（ＲＩＯＭ）、二层网管型以太网交换机（ＣＳ）、三层网管型交换机（ＥＴＢ）、人机交互单元（ＨＭＩ）、接口网关单元（ＥＣＮ／ＭＶＢ／Ｌｏｎｗｏｒｋｓ）。
1.1主处理单元主处理单元主要负责列车控制、监视和故障诊断的功能。
所有列车网络控制系统的子系统都通过车辆总线与主处理单元进行通信，交换数据。
主处理单元根据所连接车辆总线的不同分为牵引主处理单元和舒适主处理单元，其中牵引主处理单元（ＭＰＵ－ＬＴ）连接到ＭＶＢ信号线和ＭＶＢ牵引线，用于牵引、辅助和制动等列车运行相关系统的控制、监视和故障诊断，而舒适主处理单元（ＭＰＵ－ＬＣ）连接到ＭＶＢ信号线、ＭＶＢ舒适线和ＣＡＮ总线上，用于空调、厕所、塞拉门等其他辅助系统的控制、监视和故障诊断。
网络安全与控制技术
网络安全与控制技术网络安全与控制技术是一门关于保护计算机网络系统免受未经授权的访问、破坏、窃取、篡改和中断的学科。
网络安全和控制技术的发展是为了应对不断增长和日益复杂的网络安全威胁。
以下是与网络安全和控制技术相关的一些主要内容：1. 认证和访问控制：认证是验证用户身份的过程，访问控制是对用户的权限进行管理和控制，以确保只有授权的用户可以访问系统和资源。
常见的认证和访问控制技术包括用户名和密码、双因素认证、生物特征识别等。
2. 防火墙：防火墙是位于网络边界的安全设备，用于监控和控制通过网络传输的数据流量。
它可以根据预先设定的安全策略，来过滤和拦截不安全的数据包。
防火墙有助于阻止恶意攻击者对网络系统的未经授权访问和入侵。
3. 入侵检测与防御系统：入侵检测与防御系统用于监控网络和主机系统，及时发现并响应可能的入侵行为。
它可以基于已有的攻击特征或异常行为模式，来检测和预警潜在的安全威胁。
入侵检测与防御系统可以分为网络入侵检测系统(NIDS)和主机入侵检测系统 (HIDS)。
4. 数据加密与解密：数据加密是将敏感数据通过算法转换成不可读的密文，以保护数据在传输和存储过程中的安全性。
数据解密则是将密文恢复成可读的明文。
常见的数据加密算法包括对称加密算法(如DES、AES)和非对称加密算法(如RSA、DSA)等。
5. 安全审计与日志管理：安全审计与日志管理是对系统和网络的活动进行记录和分析，以寻找和报告任何异常行为。
它有助于发现潜在的安全事件和入侵行为，并为事后的溯源和调查提供证据。
6. 恶意代码检测与处理：恶意代码是指那些以破坏、窃取信息、蠕虫感染等恶意目的，通过各种途径传播和运行的计算机程序。
恶意代码检测与处理技术可以及时发现恶意代码，隔离和移除感染的系统，并预防进一步的传播和损害。
综上所述，网络安全与控制技术是通过认证和访问控制、防火墙、入侵检测与防御系统、数据加密与解密、安全审计与日志管理以及恶意代码检测与处理等一系列措施，保护计算机网络系统的安全性和可用性，以应对日益复杂的网络安全威胁。
DCS控制网络系统及网络控制技术
图9-6 和利时第四代集散控制系统体系结构
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3. 集散控制系统特点
(1) 分散性和集中性
系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。 集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。
(2) 自治性和协调性
各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网 络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能 和优化处理。
(3) 友好性
采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。
(4) 适应性、灵活性和可扩充性
采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可 以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的 大小配置。
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3. 集散控制系统特点（续）
(5) 实时性
• 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管 理与现场分离，管理更能综合化和系统化。
9.3.1 控制网络的技术基础 9.3.2 以太控制网络系统的组成及其特点 9.3.3 以太网用于工业现场的关键技术
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9.3.1 控制网络的技术基础
1. 控制网络的局域网技术
– 局域网LAN（Local Area Network）的概念产生 于20世纪60年代末。IEEE于1980年成立的局域网 标准委员会制定了802标准。
① 组态向导（软件助手）
– 组态向导提供预定义的参数，组态工程师可借鉴它来进行或修改 组态过程。
② 库和模块
– 已建立的对象可储存在一个库内，也可将它们从库中调出。这样 使用户可以开发公司、技术或部门专用的标准，有助于快速建立 项目。
③ 交叉引用组态
– 可以通过交叉索引列表的画面，提供处理大量数据的组态工具， 具有数据的导入/导出功能，可以导入和导出变量、导入和导出 消息、导入和导出文本。
第一章控制网络系统概述
1.3.2 控制网络系统的研究现状
国内外学者对于控制网络系统理论与应用的研究，目 前主要集中在以下几个方面： 1.对于各种控制网络协议本身性能和特性的分析与对 比。这主要包括数学建模分析、计算机仿真和实 际网络实验结果。 2.针对各种控制网络协议的改进方法、网络通讯调度 算法以及路由算法等方面的研究。这主要体现在 两个层次上。局域网内协议改进与通讯调度算法 的研究集中在网络数据链路层，即MAC和LLC子 协议层。广域网研究表现为寻求不同网络间基于 路径或时间最短的路由算法。 3.解决由于采用了控制网络技术，对系统性能和控制 策略上带来的影响。闭环控制网络系统中信息传 输延时、数据丢失和分帧传输都将对控制网络系 统的稳定性和控制性能带来不利影响。
1.1.2 控制网络系统的特点
1．分布式的网络体系结构 2．全数字化通讯 3．模块化的功能设计 4．节点间较强的藕合性 5．网络通讯的强实时性 6．低成本和恶劣环境的适应性 7．网络的局域性 8．系统的开放性和兼容性 9．系统的可扩展性和易重构性
1.1.3 控制网络系统的优点
1．提高了控制系统的精度和可靠性 2．增强了系统信息集成能力，有利于不同网 络的互连集成 3．便于安装和维护 4．可以降低系统成本 5．可以作为实现各种复杂分布式或优化控制 算法的应用平台 6．对于系统开发者和用户而言，它都打破了 技术垄断
1.5.2
现场总线的发展
ISA/SP50：1984年 Profibus：1986年 ISP和ISPF：1992年 WbrldFIP：1993年 HARI…和HCF：1986年 FF(FielbdusFoundatino)：1994年 不同行业的大公司利用自身的行业背景，推出了适合一定应 用领域的现场总线，如德国Boseh公司推出的CAN (eontrollerAreaNetwokr)、美国Echeofn公司推出的 onW6rkS等。 现场总线自二十世纪八十年代产生以来，经历了市场的竞争、 淘汰、合并与重组等过程。自二十世纪八十年代产生以来， 经历了市场的竞争、淘汰、合并与重组等过程，到目前为 止，世界上各式各样的现场总线有100多种，其中，宣称为 开放型的现场总线就有40多种。
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图9-5 第三代集散系统结构简图
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2. 集散控制系统基本结构（续）
(4) 第四代集散控制系统
• 20世纪90年代末期至21世纪开始，由于电子信息产 业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，DCS厂 家进一步提升了系统功能范围，将系统开发的方式由 原来完全自主开发变为集成开发，推出了第四代DCS。
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4. 集散控制系统数据通信
(1) 数据传输的介质
– 双绞线、光钎、同轴电缆等。
(2) 数据传输方式
– 基带传输方式 – 频带传输方式
(3) 数据通信网络的拓扑结构
– 星型、环型和总线/树型等常见息存取控制方式主要为：
• CSMA／CD（带有冲突检测的载波侦听多路存取） • 令牌环法 • 令牌总线
控制网络系统及网络控制技术
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1 集散型控制系统 2 现场总线控制系统 3 以太控制网络系统 4 控制网络与管理网络集成技术 5 网络控制系统及其时间同步 6 闭环网络控制系统分析 7 闭环网络控制系统的控制器设计方法
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1 集散型控制系统
1.1 概述 1.2 功能分层体系及基本结构 1.3 集散控制系统的组态性
• 特点是系统功能扩大及增强。
图9-4 第二代集散系统结构简图
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2. 集散控制系统基本结构（续）
(3) 第三代集散控制系统
• 其结构的主要变化是局部网络采 用了MAP或者是与MAP兼容、 或者局部网络本身就是实时MAP LAN。
• MAP是由美国GM（通用汽车公 司）负责制定的，它是一种工厂 系统公共的通信标准，已逐步成 为一种事实上的工业标准。
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1.1 概述
• 相关概念
– 集中控制
• 采用单一的计算机来实现对工业大系统的控制。
– 分布式控制
• 将一个工业大系统划分为若干个子系统，分别由若干台控制器 去控制。分布式控制承认各个子系统间的联系，经过通信子网 将各个局部控制器联系起来，为了实现大系统意义上的总体目 标最优，还设置上级协调器，实现全系统的协调控制。
• 这一代集散系统主要解决当 时过程工业控制应用中采用 模拟电动仪表难以解决的有 关控制问题。
图9-3 第一代集散系统结构简图
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2. 集散控制系统基本结构（续）
(2) 第二代集散控制系统
• 20世纪80年代，由于微机 技术的成熟和局部网络技术 的进入，使得集散系统得到 飞速发展。第二代集散系统 以局部网络为主干来统领全 系统工作，系统中各单元都 可以看作是网络节点的工作 站，局部网络节点又可以挂 接桥和网间连接器，并与同 网络和异型网络相连。
(3) 友好性
采用实用而简洁的人机会话系统，丰富的画面显示。
(4) 适应性、灵活性和可扩充性
采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可 以适应不同用户的需要。可以根据生产要求，改变系统的 大小配置。
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3. 集散控制系统特点（续）
(5) 实时性
• 采用网络通信技术，实现集中监视、操作和管理。使得管 理与现场分离，管理更能综合化和系统化。
– 集散型计算机控制系统又称为分散型综合控制系统
（Total Distributed Control Systems，简称 集散系统DCS）
• 以微处理器为基础，是应用于过程控制的工程化的分布式计算 机控制系统。
• 实际需要——管理要集中，控制要分散
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DCS发展新趋势：
(1)网络系统的功能增强，而且朝着开放、标准化方向发展。 (2) 中小型集散控制系统有较大发展。现场总线技术的发展和PLC的发展
• 共性：
– 全面支持企业信息化、系统构成集成化、混合控制功能兼容， 营建进一步分散化、智能化和低成本化，系统平台开放化、应 用系统专业化。
• 主要特征为：
– 信息化和集成化；混合控制系统；融合采用现场总线技术的进 一步分散化；I/O处理单元小型化、智能化、低成本；系统平 台开放型与应用的专业化。
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• 通过人机接口和I/O接口，可对过程对象进行实时采集、 分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构和组态 回路的在线修改、局部故障的在线维护等，提高了系统的 可用性。
(6) 可靠性
– 广泛采用了冗余技术、容错技术。各单元都具备自诊断、 自检查、自修理功能，故障出现时还可自动报警。
– 使集散系统的可靠性和安全性得到大大提高。
图9-6 和利时第四代集散控制系统体系结构
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3. 集散控制系统特点
(1) 分散性和集中性
系统控制分散、功能分散，负荷分散，从而危险分散。 集中性体现：监视集中、操作集中、管理集中。
(2) 自治性和协调性
各工作站独立自主地完成分配给自己任务，并通过通信网 络传送各种信息，协调工作，以完成控制系统的总体功能 和优化处理。
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1.2 功能分层体系及基本结构
集散控制系统的本质是：采用分散控制和集中管理的设计思 想、分而自治和综合协调的设计原则、采用层次化体系结构。
1. 集散控制系统 功能分层体系
图9-2 集散控制系统体系结构的各层功能
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2. 集散控制系统基本结构
(1) 第一代集散控制系统
• 以1975年由美国霍尼威尔 （Honeywell）公司首先 推出的集散系统TDC2000为第一代集散系统的 标志。
更促进了各集散控制系统制造商推出中小型集散控制系统。 (3) 电控、仪表与计算机（Electrical Instrumentation
Computer，EIC）“机电一体化”将导致各公司的兼并，EIC集成 已是大势所趋。 (4) 软件与人机界面更加丰富。集散系统已经采用实时多用户、多任务操 作系统。配备先进控制软件的新型集散系统将可以实现适应控制、解耦 控制、优化控制和智能控制。 (5) 系统集成化。集散控制系统作为CIMS（计算机集成化制造系统）的 基础，是其系统集成的主要组成部分，成为提高企业综合效益的重要途 径。 (6) 以因特网（Internet）、内联网、局域网、控制网或现场总线为通 信网络框架结构的一种更开放、更分散、集成度更高的分布式计算机控 制网络正在迅速发展，相应的控制理论和控制方法也将得到新的发展。