基于TCP_IP网络的远程控制系统的研究

发布于:2021-06-19 03:55:11

基于T C P / I P 网络的远程控制系统的研究
         任长清 王晓峰 陈之龙 马树元 吴*东 北京理工大学 机械工程与自      动化学院,北京 1 0 0 0 8 1
摘妥,本文论述了 远程控制系统的研究现状, 阐明了 基于 T C P / I P网 络的 远程控制系统的总体构架, 通过分析 系统的各个组成模块的功能以及可能出现的问题,不仅提出了 解决问题的基本策略和方法,而且就某些问题进 行了 初步了 研究。 关性闷:T C P / I P 网 络; 远程控制;延时; 不确定性

1 ,引 官 随着科学技术的快速发展,      人们对远程控制系统的研究给予了 越来越多的关注。借助于远 程控制系统, 人们可以实现从前无法实现或不易实 现的任务, 诸如在极限环境下 ( 如太空、 深 海和地下)的 作业、 地震等大规模自 然灾害现场的 抢救和重新建设工作、 核能发电 厂的维修和 操作等等, 所有这些工作都需要人们能够在安全场所对危险 环境的机械或系统进行操作和精密
控制。

     国内 外一直在进行远程操作和控制方面的 研究开发工作。早期的工作主要是针对特定对象 如工业机器人、 建筑机械等的 远程操作,即大家通常所说的 遥操作。其研究手段一 般是借助于 一定范围的 物理介质, 通过计算进行 远程操作, 因 此, 远程控制和操作的 距离受到了限制。 1 1 . 2 1 互 联网技术的出现和发展, 打破了相隔两地之间的信息进行传递和交换时在时间和空间 距离上 的限制,为实现任何人在任何时间、任何地点对任何设备进行远程操作和控制创造了条件,从 而使得实 现真正意义上的远程操作和 控制成为可能。 国      外已 经在应用互联网 进行远程操作和控制方面展开了 研究, 但是主要局限于 通过互联网 对远程机器人进行遥操作。其中国外研究方面较为典型的是澳大利亚的 W e a t e m 大学研制的 A u s t r a l i a ' s  T e l e r o b o t , 这套系 统是对一个具有六个自 由 度的 机器人进行远程操作。用户使用浏

览 器登 录该网 站( h t t p : / / t e l e r o b o t . m e c h . u w a . e d u . c n  ) , 获 取一定的 控制权限 之后, 就可以 通过互
联网 控制机器人, 遥操作机器人完成 摆设基于X ,  Y ,  Z 坐标系的 积木的任务。 [ 1 - 5 1 而在国内 清华大学也进行了大时延环境下分布式遥操作系统的 研究, 主要用于 解决航天机器人遥操作过 程中所遇到的大时延问题。1 6 〕 哈尔滨工业大学则进行了基于计算机网络的远程加S . 1 _ 况信息 集成技术的研究, 1 7 1 而华中理工大学则就设备远程诊断系统的建立和实现做了一定的研究。 1 8 1 可以      看出,目 前在互联网上进行传递与 控制的 主要信息形式是文字、声音、 静态及动态的 图 像等传统意义上的多 媒体信息, 更确切地说在互联网 上传递的 主要是静态信息,系统对信息 的实时性要求不是很高,这在当前的互联网 状况下是可以 得到满足的。 然而,更加具有实际意 义的是控制系统动态信息的实时传递。但通信时间 滞后、 通信故障对策是当 前互联网的主要弱
点,因此这方面的研究和开发,国内外均处在“ 黎明期” 。1 9 1 2 , 系统盛体构架 对于一个典型的反馈控制系统,当引入网络环节之后, 其结构如图 I 所示。 显然, 基于互
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联网的远程控制系统,由于系统回路中引 进了互联网 环节,就不可避免地存在通讯 延时的问 题。当 控制系统的 信息 传输延时 接*、 大于、 甚至远远大于系 统的采样周 期时,将对系统的性能有很大的影响。 此外,由于目      前互联网中路由器多是 图 t 引入互联网环节的远程控制系统结构图 采用动态路由协议依据网络负载状况来选 择信息的 传递路由。互联网负载的实时变化,造成信息的 传递路由 动态变化, 从而导致信息 传 递延时具有不确定性, 这也是基于互联网的远程控制系统必须面对的难题。 基于上述分析,      结合实验室的 条件, 提出 如图2 所示的系统构成, 目 的就是引入基于T C P / I P 协议的网络环节,在保证系统稳定性的前提下, 通过智能控制算法改善系统响应性能 实现远 程控制系 统的实时 控制。 之所以 采用液压 伺服系统作为 研究对象, 是因为液压控制技术是各种 远程操作机器人或操作机械的最基本的运动控制技术,其运动特性和光、机、电等控制技术基 本上是一一对应的,因此研究得出的关于远程控制的研究结果具有普遍性。

图2 基于T                              C P / I P网络的远程液压控制系统

     基于上述系统, 下面详细5 i ' i f l T  }  z R  f i ' 1  I z F 3 F } ' r A  4 } ' J以 戊各 I l m: t u ` J l A 能 可能遇到的问题以 及相应的 解决 策略和方法。 I . 整个系统采用客户机 ( 本地计算机) / 服务器 〔 远程计算机) 模式,来实现对液压伺服系 统的      位置控制。本地计算机通过 T C P Q P网 络和服务器建立连接, 然后发送控制信息。 远 程计算机接收到控制信息之后,      控制液压伺服系统运动。同时, 远程计算机周期采样液压 缸位移信息,然后通过T      C P / I P 网络发送给本地计算机。 I I . 针对 T C P Q P 网 络造成的不确定延时, 系统设计时 应该考虑到T C P Q P 网 络的 特性。 一方面 可以通过测试网络的延时分布状况,      做一定的*似假设,在设计控制器时利用延时的*似 分布来补偿。前期研究表明,在类似于校园网规模的快速以太网内,控制器设计时可以将      信息延时      *似看作是 均匀分 布来处理。 但是要兼顾异常延时的问 题,如图 3 所示;而在 类 似于 C      h i n a N e t 这样的网 络环境内, 控制器设计时可以 将信息延时*似看作是 F分布, 但 是要实时依据网络状况调整 F      分布的自由 度,以 及兼顾异常延时的问 题,如图4 所示。也

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可以 利用局部静态路由 技术、 重新定制协议数据报格式等手段来改善不确定性延时问 题。 另一方面,设计基于 T C P I / P网 络的远程控制系统时 还要充分考虑到网 络的安全性, 尤其 是涉及到国防工业时更是如此。 研究更加有效的网络安全技术,防止信息的被监视、 被复 制、被篡改、被截留以及虚假信息等问题。

川、本地计算机的主要作用是设 计控制器和补偿器, 发 送控制信息。和通常研究的大时 滞控制 系统不同,      基于 T C P / I P网 络的 远程控制系统在前向 通道和反馈通道都存在着信息延时, 都对系统的动态响应特性和稳定性有影响。      前期研究表明, 在设计系统时, 可以 将T C P / I P 网      络环节看作是时间常数随机变化的 滞后环节, 然后分别设计补偿器,保证系统的 性能指

   标 。 系 统 框 图 如 图5 所 示 。 其 中 : G  ( s ) 为 控 制 器 ; G( ) 为 被 控 对 象 : e - r i , e - * , s 是 *    似 的 互 联 网 环 节 ; : 是 当 前 互 联 网 的 延 时 ; G b /  ( S ) 是 针 对 反 馈 通 道 的 纯 滞 后 环 节 引 入 的 补    偿 器 : G . ,  i s ) 是 针 对 前 向 通 道 中 的 纯 滞 后 环 节 引 入 的s m i t h 预 估 补 偿 器 ,

I V .补偿器的设 计,比 较好的解决了 信息延时对系统性能的影响, 但是没有解决信息延时不确 定的问      题。 研究表明,如果补偿器模型不能够实时的适应 T C 助P网络环节的变化,那么
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                     数据报延时 ( m s ) 数据报延时 〔 m s ) 图3 校园网内一个时段数据报延时状况分布图      图4 教育网内一个时段数据报延时状况分布图

G    ,  ( , ) = ( I 一 e - " ' ) -  G o  ( s )  ; 玲 ) 是 参 考 输 入 ; 玲 ) 是 输 出 。 仿 真 结 果 表 明 该 方 法 可 以
比 较好的改善系统的性能指标。
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神经网络
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图5 基于丁 C P / I P网络的 远程控制系统框图

系统性能就得不到保证。 针对信息延时的不确定性, 补偿器设计时应该采用智能控制算法, 根据延时历史信息预估系统当 前的 信息延时状况,从而实时调整补偿器模型中的时间参 数, 动态适应 T C P / I P网 络的延时状况。 前期研究采用线性神经网 络来预估信息延时 状况, 从仿真结果 ( 图6 和图 7 ) 可以 看出, 采用神经网 络可以 在一定程度上预估网 络的延时 状 况, 但是预估误差的 大小直接影响到系统的性能。 预估误差主要取决于神经网 络训练的 效 果,由于网 络信息延时的不确定性,因此神经网 络应该根据网 络延时状况,不断的 在线训 练。同时,由 于神经网 络的 特点是学*能力强, 计算速度快,可以 *我獾姆窍咝裕 但 是不具有强的推理能力。对于不确定信号,应该能够通过对历史信息的推理,预估未来信 号的发展方向, 然后进行预估,这样可以 进一步 减小预估误差。因此, 有必要结合其他具 有推理功能的智能控制方法来构建神经网络。目 前,国内外就基于模糊控制的神经网络做 了大量的研究,因此可以 从这方面着手考虑。


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V .在本地计算机设计控制器时, 还要考虑到异常应对策略,即出 现信息超大延时的 情况。由 于是基于 T      C P / I P协议的网 络,因 此信息丢失的情况也可以 看作超大延时来考虑。当 反 馈 信息的延时超过许可的延时阔值时,应该设计控制信息的预估系统,保证控制指令的连续      发送。      今年来预测控制,尤其是广义预测控制越来越受到重视,因此可以 考虑从这个方向
入手解决。     

V I .设 计墓于 T C P / I P网 络的 远程控制系统, 还有一个问 题就是监控。为了便于 控制端实时了 解系      统的 运行状况, 可以 在本地计算机构筑被控对象的 虚拟假想空间,直观的反映系统的 性能      状况。 针对机械运动信息变化快, 信息量相对较小的 特点,不仅要力求该虚拟现实 假 想环境实现时      所需要的环境构筑信息量尽可能的小, 而且在通讯接口 上也要力求简单,易 扩展。      采用 C C D方式, 就需要进行图 象压缩算法的再研究。 相比 较而言, 采用 V R M L , O      p e n G L 等技术实现是一个不错的 选择。 V I I . 远程计算机主要是接受控制指令信息,控制液压伺服系统运动,并且采样系统反馈信息, 经由 T      C P / I P网络发送给本地计算机。同时, 在远程计算机还要设计远程控制系统的自 律 化策略,即      保证系统在出现控制信息超大延时的 异常情况时, 依旧可以安全可靠的 运行。 不仅要安全,而且应该有一定的预测控制性能,能够根据以往信息,只能选择适当地控制     

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图6线性神经网络的预侧性能                 

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图7线性神经网络的预侧误差

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策略, 不至于使系统停滞。同时 应该 在正确控制信息到达之后,能够迅速依据要求进行*
滑调整。

3 , 结论

     基于T C P / I P 网 络的 远程控制系统的 研究融合了 计算机、网 络、自 动控制、 虚拟现实 ( V R ) 和液压传动与控制等多项技术,不仅改变了 社会的生活方式,而且改变了 社会的生产方式, 尤 其符合国家大西部开发的战略举措。 借助于远程控制系统, 人们就可以 远离恶劣的 工作环境, 安 全可靠的控制位于沙漠、 戈壁深处的 机械设备, ? 从而加快西部大开发的 进程。同 时, 借助于 远程控制系统, 人们可以自由 地控制航空航天设备 和机动灵活的 地面设备, 这对于发展国防也 具有重大的战略意义。 本文就基于 T      C P / I P网 络的 远程控制系统提出了 系统构架,指出了 系统构建 过程中可能出 现的问题。 作者就部 分问 题做了 初步的 研究工作, 给出了一些参考结论,同时 对其他问 题提出 了 解决设想,并将在进一步的 研究中 逐步实现, 从而实现对系统稳定高效的 控制。

今考文献:
1 1 1名 物 纯, 山田 宏尚, 武娜高 义,* 成] 1 0 年 春季油 空 压讲 演会讲 演论 文 集, 8 8 / 9 0  ( 1 9 9 9 ) 俘 ]昌 田 肇, 机 械 设 计 手 册, 4 3 - 1 5 ,  7 1 1 1  ( 1 9 9 9 ) [ 3 ]   K e n  T a y l o r ,   J a m e s  T r e v e l y a n ,   A u s r t a l i a ' s  T e l e r o b o t  o n  t h e  W e b ,   t h e  2 6 ' "  I n t e n r a t i o n a l  S y m p o s i u m  o n
I n d u s t r i a l  R o b o t s ,   S i n g a p o r e  4 - - 6  O c t o b e r  1 9 9 5 . [ 4 ]   R e i d  G ,     S i m m o n s ,   R i c h a r d  G o o d w i n ,  K a r e n  Z i t a  H a i g h ,   S v e n  K o e n i g ,   J o s e p h  O ' S u l l i v a n ,   M a n u e l a M.  V e l o s o .  X a v i e r : R x p e r i e n c e  w i t h  a  L a y e r e d  R o b o t  A r c h i t e c t u r e .  h t t p : / / w w w . c s . e m u . c d u / - x a v i e r .

1 5 1汤宇 松, 刘景 泰, 卢 桂章, 利用 远 程网 络技术的 机 器人 遥操作系 统分 析, 机器 人, 第2 2 卷第一 期, 2 0 0 0
年l 月。

[ 6 1庄骏, 邱*,孙增析,大延时环境下的分布式遥操作系统,滴华大学学报, 2 0 0 0  V o l . 4 0  N o .  1              P . 8 0 - 8 3

1 7 1姚学英, 路勇, 基于 计算机网 络的 远程加工工 况 信息 集成技术, 哈 尔滨工业 大学,中 国 期刊网 1 8 』张 莉, 袁楚明, 陈 幼*, 周祖德, 设 备远程诊 断系 统的 建立和实 现技术, 华中 理工 大 学学 报, 第2 7 卷,
第1 2 期,1 9 9 9 年1 2 月 1 9 1 柳田 康华,日 本机械学会志,1 0 2 - 9 7 1 ,  6 3 3 / 6 3 5  ( 1 9 9 9 ) 作套摘介.

任长清,1 9 7 1 年出生,北京理工大学博士研究生 王晓峰,1 9 7 4 年出生,北京理工大学博士研究生 陈之龙,北京理工大学. 1 . . 教授; 马树元,东 京工业大学工学博士, 北京理工大学教授 吴*东,东 京工业大学工学博士,北京理工大学教授, 博士生导师

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基于TCP/IP网络的远程控制系统的研究
作者: 作者单位: 被引用次数: 任长清, 王晓峰, 陈之龙, 马树元, 吴*东 北京理工大学机械工程与自动化学院(北京) 16次

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引证文献(13条) 1.仲志燕.施冬梅 基于INTERNET远程控制中网络延时的研究[期刊论文]-自动化技术与应用 2007(2) 2.樊建伟.王奇.崔嵬.余雷鸣 基于TCP协议的远程控制系统网络时延仿真研究[期刊论文]-指挥控制与仿真 2006(6) 3.樊建伟.吴*东.* 远程控制系统的采样信息处理方法[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2006(1) 4.*.吴*东.王晓峰.任长清.陈之龙.马树元.左建华 基于因特网的远程控制系统的基础研究[期刊论文]-自动化仪表 2004(4) 5.修震.吴*东.*.陈之龙 基于因特网的远程控制中网络延时特性分析[期刊论文]-计算机工程与应用 2004(3) 6.*.陈之龙.吴*东.王晓峰.马树元 远程控制系统中采样信息处理方法的研究[期刊论文]-北京理工大学学报 2003(6) 7.王晓峰.吴*东.任长清.*.陈之龙.马树元 基于TCP/IP网络的远程伺服控制系统中的动态模糊控制器[期刊论文]-计算机应用 2002(11) 8.王晓峰.吴*东.任长清.*.马树元.陈之龙 基于TCP/IP的远程控制系统中动态补偿器的仿真研究[期刊论文]-北京理工大学学报 2002(6) 9.王晓峰.吴*东.任长清.*.马树元.陈之龙 基于TCP/IP的远程控制实验系统中再现网络时延的研究[期刊论文]-北京理工大学学报 2003(1) 10.樊建伟.杨笃伟.沈祝山.杨东升 基于UDP传输协议的网络时延仿真研究[期刊论文]-计算机仿真 2007(8) 11.樊建伟.吴*东.* 事件驱动方式在网络控制系统中的应用[期刊论文]-机床与液压 2006(7) 12.樊建伟.沈祝山.李邦元 远程控制系统中随机时延的处理方法[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2006(3) 13.吕宙.陈国顺 军用VXI测试诊断网络研究与实现[期刊论文]-电子测量与仪器学报 2004(z1)

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