网络控制系统时延分析与设计.doc

本科生毕业设计（论文） 网络控制系统时延分析与设计网络控制系统时延分析与设计 学院（系）： 信息学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本 人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书 2、不保密囗 。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 本科生毕业设计（论文）任务书本科生毕业设计（论文）任务书 学生姓名：学生姓名： 专业班级：专业班级： 信息信息 指导教师：指导教师： 工作单位：工作单位： 设计设计( (论文论文) )题目题目: : 网络控制系统时延分析与设计网络控制系统时延分析与设计 设计（论文）主要内容：设计（论文）主要内容： 此次毕业设计所要求完成的课题是网络控制系统时延分析与设计，确 定论文的基本要求为，在了解网络控制系统理论的基础上进行基于 TrueTime 的网络控制系统分析与设计。其中包括系统分析的原理与性能、 网络控制系统的设计与设计思想，基于 Matlab 与 TrueTime 的分析结果和 设计结果。 要求完成的主要任务要求完成的主要任务: : 1、查阅不少于 15 篇的相关资料，其中英文文献不少于 2 篇，完成开题报 告。 2、熟悉网络控制时延理论并分析其方法。 3、设计相关软件系统架构，完成建模与仿真。 4、完成不少于 20000 字的英文文献翻译。 5、完成毕业设计论文的撰写和修订。 必读参考资料：必读参考资料： 1 岳东，彭晨，Qinglong Han编著，网络控制系统的分析与综合，科学 出版社：北京，2007年07月 2 王岩，孙增圻编著，网络控制系统分析与设计，清华大学出版社：北 京，2009 年 06 月 3 Johan Nilsson，Real-Time Control System With Delays，Lunds Offset A B，Sweden，1998(6) 4Fen-Li Lian，James Moyne，Network Design Consideration for Distributed Control System，IEEE，2002，5 指导教师签名：指导教师签名： 系主任签名：系主任签名： 院长签名院长签名( (章章)_)_ _ _ 本科生毕业设计（论文）开题报告本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 近年的国际社会上，网络控制系统得到越来越多科研者的注意，而其中时 延却是网络控制技术的重点研究对象。，众所周知，网络中的时延存在会对整个 控制系统的功能及品质造成影响，剧烈的时候，甚至会引起系统不稳定和偏出 预期的目标。 网络控制系统（Networked Control System，简称为NCS） ，是控制技术、 计算机技术、网络通讯技术发展结合的必然产物，与传统点对点系统相比，表 现出更大的优越性。 与传统的点对点有线连接相比，网络控制系统不同的是利用计算机网络先 用的集成的控制系统，这样因为使用计算机网络系统，所以很大的优点是使系 统成本降低、负担减轻、便于控制、安装与维护简化以及稳定性相对提高提高， 因此网络控制系统广泛地应用于科研设施、军事、航天航空和现代智能建筑系 统及其它场合。 在控制网络中，所有的信息都通过总线进行传输。一方面，随着网络的引 入，信息传输不确定性问题也出现在控制系统中，这样会增加控制系统的分析 和设计的复杂性。另一方面，由于网络中的信息源很多，在传输时，信息要分 时占用总线，而网络的通信带宽有限，这就使其传输不可避免地存在着时延。 时延的存在会给系统带来相位上的滞后，而相位滞后是导致系统不稳定的一个 重要因素。如何克服网络时延所带来的问题，从而确保整个系统的稳定性，是 一个非常重要的问题。 目前，在我国硬件设备的智能化程度较低的背景下，对 NCS 的研究多偏 重于应用技术和系统实现，真正意义上的理论和应用研究还处于起步阶段， 一系列富有挑战性的课题还等待我们去拓展。 在另一方面，如今 NCS 正向着统一于 TCP/IP 协议的方向发展，而且全球 都已经进入 Internet 的大时代。Internet 和工业以太网的连接大大降低了 成本，但是如何解决 Internet 中存在的时延问题，保证 NCS 的实时性需求将 是我们首要考虑的问题。时延给 NCS 的稳定性分析带来了很大的困难，李亚 普诺夫稳定性判据能够很好地应用于控制系统，但是在 NCS 中却不能直接使 用，因此如何能够得到更一般的适用于 NCS 的稳定性判据还有待于进行更深 入地探讨。 2、基本内容和技术方案 本文首先对网络控制系统的历史和背景以及系统构成做了一个简要的叙 述，然后对网络控制系统的延时产生机制和组成作了一些分析，发现网络诱 导延时主要是由于网络负载和 MAC 层数据传输技术影响的，之后对不同数据 传输技术为主的协议作了一些评价和选择，又对网络控制系统的控制算法作 了介绍，然后选择 PID 算法和预测算法为例作介绍，对这两种不同类型的算 法进行了比较，所得结果再应用于 TrueTime 仿真分析，之后对于时延在整个 网络控制系统的影响的理解和分析具有重要的指导意义。 论文主要研究了网络控制系统时延的产生和组成，对于不同数据传输技 术构成的网络协议作了一些分析，对于使用 TrueTime 工具箱在网络控制系统 时延的研究也有了一个明显的分析实例。 。 由于网络控制系统的时延主要产生于网络负载和 MAC 层数据传输技术 和调度算法的不同，所以在以后设计网络控制系统的时候，就必须对这些方 面进行适当的考虑和分析；另外，使用了 Truetime 工具箱作为仿真工具，发 现其作为网络控制系统仿真工具，具有独特的方便性和实用性；还有一点， 那就是当延迟大于一个采样周期的时候，普通的仅仅依靠 PID 算法是不能对 系统的性能的保持起到作用，这时，应该综合考虑协议，网络负载，数据传 输技术和控制算法才能使系统保持较好的性能 3、进度安排 第 24 周：到指导老师处领取毕业设计题目，大致了解设计内容并学习 相关资料，撰写开题报告并提交。 第 511 周：学习并深入了解设计所涉及的各种内容，实现设计的技术 路线、要解决的问题等，并撰写论文。 第 1215 周：完成并修改毕业论文。 第 17 周: 准备论文答辩。 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 武汉理工大学毕业设计（论文） 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 计算机控制系统的发展背景.1 1.2 网络控制系统概述.3 1.3 论文结构与主要内容.5 2 网络控制系统延时分析.6 2.1 网络控制系统时延产生.6 2.2 网络控制系统时延组成.8 2.3 网络负载分析.9 2.4 网络控制系统数据传输技术.11 3 网络控制系统延时设计方案选择与分析 .13 3.1 网络时延的分类.13 3.2 网络时延的解决措施.14 3.3 网络协议的选择.16 3.4 控制方法的选择.19 4 网络控制系统时延设计与仿真.24 4.1 TRUETIME工具箱介绍.24 4.2 具有时延的网络控制系统建模 .26 4.3 具有时延的网络控制系统仿真 .28 5 结论.32 参考文献 .33 致 谢.35 武汉理工大学毕业设计（论文） I 摘 要 本文首先对网络控制系统的历史和背景以及系统构成做了一个简要的叙述，然后 对网络控制系统的延时产生机制和组成作了一些分析，发现网络诱导延时主要是由于 网络负载和 MAC 层数据传输技术影响的，之后对不同数据传输技术为主的协议作了一 些评价和选择，又对网络控制系统的控制算法作了介绍，然后选择 PID 算法和预测算 法为例作介绍，对这两种不同类型的算法进行了比较，所得结果再应用于 TrueTime 仿 真分析，之后对于时延在整个网络控制系统的影响的理解和分析具有重要的指导意义。 论文主要研究了网络控制系统时延的产生和组成，对于不同数据传输技术构成的 网络协议作了一些分析，对于使用 TrueTime 工具箱在网络控制系统时延的研究也有了 一个明显的分析实例。 。 研究结果表明：网络控制系统的时延主要产生于网络负载和 MAC 层数据传输技术 和调度算法的不同，所以在以后设计网络控制系统的时候，就必须对这些方面进行适 当的考虑和分析；另外，使用了 Truetime 工具箱作为仿真工具，发现其作为网络控制 系统仿真工具，具有独特的方便性和实用性；还有一点，那就是当延迟大于一个采样 周期的时候，普通的仅仅依靠 PID 算法是不能对系统的性能的保持起到作用，这时， 应该综合考虑协议，网络负载，数据传输技术和控制算法才能使系统保持较好的性能。 本文的特色在于：首先分析了网络延时的产生机理和组成部分，再分析了延时的 主要影响因素，最后选择较为合理的算法和协议，再用 TrueTime 工具箱仿真，利用实 例分析时延具体对系统的影响作用。 关键词：网络控制系统；TrueTime；时延；仿真 武汉理工大学毕业设计（论文） II Abstract This paper first simply makes a description about the history and background of the NCS and its constitution，then analyses the composition and mechanism of production of the delay of NCS.We find that the network-induced delay was mainly due to network load and the MAC layer data transmission technology,after this, some evaluation and selection of the data transmission based on different agreements are made,and at the same time,we also introduce on control algorithm of the networked control system, Then select the PID control algorithm and the prediction algorithm as an example and compare these two different types of algorithms. Finally，The results apply to TrueTime simulation analysis. This thesis of the network control system, delay the production and composition, for different data transmission technologies have made some form of network protocol analysis and network toolbox for use TrueTime delay of control system has also been a clear analysis example. The results fo this thesis shows that: the network control system delay resulted primarily from the network load and the MAC layer scheduling algorithm for data transmission technology, so later when the network control system design, it must be appropriate to consider these aspects and analysis; In addition, the use of Truetime as a simulation tool ,and found that as the network control system simulation tools, has a unique convenience and practicality, as well as to the fact that when the delay is greater than a sampling period, an ordinary PID alone control algorithm can not maintain the performance of the system play a role, then, should be taken into account the agreement, network load, data transfer technology and control algorithms to maintain the good performance of the system. Key Words：Networked control system(NCS)；Truetime；delay；Simulation 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 计算机控制系统的发展背景 从计算机控制系统出现在人们的生活和工业控制中开始，它就经历了以下几个发 展阶段。 第一个阶段称为基地仪表控制系统，它产生在 20 世纪 40 年代，主要是基于 0.02 至 0.1MPa 气动信号的直动控制系统 PCS。 第二个阶段是产生于上个世纪 50 年代，基于 4 至 20mA 模拟信号标准的模拟控制 系统 ACS。 第三阶段是与在 70 年代初随着小型微型计算出现而出现的集中控制系统 CCS 和 数字控制 DCC 系统。在传统的集中控制系统中，它的典型结构如图 1.1。这种系统一 般采用一个 CPU 完成控制计算、信息处理等所有的工作，控制系和对象之间的有效连 接用的是点对点连接。由于这种系统的结构特点，所以随着现场采集的信息量增加， 集中控制系统对 CPU 单元的硬件性能要求越来越高，软件编程也就越来越复杂，而为 了克服这种系统产生的问题，控制系统的第四个阶段发展也就应运而生了。 图 1.1 集中控制系统示意图 第四阶段称为主从式的集散控制系统 DCS，它的系统示意图如图 1.2。这种系统的 核心思想是分散采集控制、集中件事操作。在这种分层次的控制系统之中，现场各个 设备的控制任务是现场的控制器完成，总体的控制任务和操作监视等其他任务则是由 中央控制单元具体完成，这样也就实现了控制功能和管理信息的有效分离。不过这种 系统也有一些缺点，那就是随着现场设备的不断增多，系统的布线就变得十分复杂， 布线成本也就大大提高了，同时布线复杂引起的抗干扰能力差，灵活性降低，不方便 扩展等等问题也就困扰着工程师们的设计思想。 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 图 1.2 DCS 系统示意图 第五阶段是出现于 80 年代分布式的现场总线控制系统 FCS。这种系统的出现很好 地解决了第四阶段布线不方便的缺点，也使得系统更加趋于智能化、分布化，这也为 网络控制系统这种网络化控制系统的出现打下了基础。它的系统示意图如下。 图 1.3 现场总线控制系统 第六个阶段也就是现阶段广泛应用的网络控制系统（NCS） ，同时它也是本文主要 研究的对象。 纵观控制系统的发展历史，我们可以用下面的图 1.4 表示，因为控制系统都是随着 武汉理工大学毕业设计（论文） 3 计算机技术发展而进步，也就是说在控制系统的历史上，它总是落后于相应的计算机 技术的，而在实际生活中，也正是在计算机领域有了一种新的技术出现之后，人们才 开始研究如何将这种计算应用到工业控制领域。 图 1.4 控制系统发展历程 1.2 网络控制系统概述 1.2.1 网络控制系统的描述 计算机网络控制系统是当前计算机技术和通信技术发展相结合的结果，在进入 21 世纪后，设备自动化和工业控制技术需要更加复杂智能的通信传输技术和网络控制技 术，现代工厂与智能设备的传感器、控制器、执行部分分布在不同的地域，这些设备 的通信需要靠数据通信网络来实现，这也就是网络环境下的典型网络控制系统，它的 系统机构和信息流向如图 1.5 所示。 图 1.5 典型网络控制系统结构与信息流向图 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 从网络的结构构成上来看，网络控制系统（NCS）和现场总线控制系统（FCS）并 没有多大的本质区别，都是属于总线系统，也就是说是多个设备节点共享通信传输信 道，用以来传输实时和非实时的数据；但是从定义上来说，FCS 的重点是节点之间的 数据传输和共享，而 NCS 则强调在通信网络上建立闭环的控制通道，从这方面来看， NCS 是一个广义的范围，它包括了 FCS，但又不仅仅是 FCS，还可以是包括工业以太 网，甚至 Internet。在图 1.5 中，网络控制系统中的被控制设备、传感器、控制器和执 行器是可以分布在不同的位置上的，只要它们之间有一个用来交换信息的公共网络平 台就行了，图中箭头的方向则表明了系统中的信息流向。 网络控制系统（Networked Control Systems）这个名词最早出现在 1998 年 Walsh 的著作中，但是没有给出具体的定义，只是给出了其结构图，至于国内的定义则是一 般采用清华大学顾红军的言论：网络控制系统，又称网络化控制系统，就是在网络环 境下实现控制系统。是指在某个区域内的一些现场检测、控制及操作设备和通信线路 的集合，用以提供设备间的数据床书，使该区域不同地点的设备和用户实现资源共享 和协调操作。广义的网络控制系统还应该包括通过企业信息网络以及 Internet 实现对工 厂车间、生产线甚至现场设备的监视控制。 由上面的顾先生的定义来看，网路控制系统的分析与研究集合了控制理论和网络 技术，是一种现代的交叉学科，气研究的成果和应用技术对发展新的控制领域建设有 十分重要的应用价值。 1.2.2 网络控制系统的问题 从网络控制的结构来看，这种系统具有布线简单、控制信号共享信道、易于扩展、 可实现信息共享等优点，但是这种系统也是有很多问题的。 由于网络的应用，网络控制系统的信息传输是通过通信网络来实现的，而任何通 信网络的带宽总是有限的，所以，数据在传输的过程中一定会出现排队和碰撞以及等 待。在系统的共享数据网络中，出了传输整个系统要传递的信息之外，还需要传送一 些与控制信息无关的其他消息，所以资源竞争和网络的堵塞现象是不可避免的。而以 上的这些问题会导致数据传输的延迟，因此这种延迟也一般称为网络延迟。这种网络 延迟是根据网络结构不同而变化的，有的可能是随机的，也可能是常数的，也可能是 时变的。由于这种延时的存在性，网络控制系统的指令往往不能及时地传达到节点， 从而会导致系统的性能变差，甚至影响系统的稳定。 另外的一个问题是数据丢失。由于共享网络都会存在网络堵塞和终端连接的现象， 而即使大多数的网路系统都有重传的机制，但也只是一个有毒事件的传输，超过这个 时间，这部分的数据就会丢失。另外，从节点来考虑，当一个节点正在等待发送信息 的时候，若此时又有新的消息传来，那么丢弃旧数据转而传递新数据是合理的。所以， 以上的这两种考虑都会照成数据丢失的问题，当然，这中间有些数据丢包是我们希望 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 的，但但多数数据丢失是系统因为网络堵塞而自发产生的，这也是我们十分不愿意看 到的情况。 除了以上的这两种系统问题之外，网络控制系统还存在如误码、数据错序、空采 样、抖动、网络调度不佳等等问题，因此，基于传统的控制理论给出的控制系统设计 和分析是比较难以用到网络控制系统中的，必须针对网络控制系统的特点给出设计方 案才是适合于开发网络控制系统的策略。同时，清楚分析出各个系统问题，再给出具 体的解决方案，也是对于系统优化具有指导意义的，对此，本文就主要针对延时的问 题进行探讨。 1.3 论文结构与主要内容 本论文一共分为五章，其整体结构和主要内容如下： 第一章 绪论。本章主要介绍网络控制系统的发展背景，以及各种控系统的特点以 及基本结构和相对应各种缺点，同时针对地介绍了网络控制系统的定义和它在工业场 合设计时存在的问题，以及简要介绍这些问题的产生原因，最后，对本论文的研究内 容做一个简要的介绍。 第二章 网络控制系统时延分析。在这章，主要是介绍网络控制系统中时延的组成， 以及时延对系统的影响，同时对时延的产生做一个说明和分析，为第三章打下基础。 第三章 网络控制系统时延设计方案分析与选择。主要就目前针对网络控制系统时 延设计时方案的确定进行分析，对目前学术上各种设计 NCS 时延的方案进行筛选，再 选择其中一种作为本论文的主要研究方法。 第四章 NCS 时延设计与仿真。本章主要是利用 truetime 工具箱和 matlab 环境设计 一个 NCS 时延模型，具体在本章内叙述了 truetime 工具箱的使用方法，并对 truetime 工具中的各个模块进行阐述，以及如何使用 truetime 工具箱进行网络控制系统时延的 设计，然后对这个模型的参数（特别是与时延有关的参数）进行改变，找出对 NCS 时 延有关的因素。 第五章 结论。总结论文主要工作，并对论文的结论进行阐述。 武汉理工大学毕业设计（论文） 6 2 网络控制系统延时分析 2.1 网络控制系统时延产生 在 NCS 中，信息的传输在实质上是网络上某个节点有任务产生并发送信息，然后 经过各层协议的封装解析等手段通过网络到达另外一个设备。网络控制系统中的时延 就是产生于这个过程。 根据产生方式不同，网络时延分为两种。一种是控制系统中设备的计算处理实验， 如传感器、控制器和执行器完成自身功能时所用的时间延迟；另外一种是由于在整个 系统中，各个设备共享通信网络，导致网络传输各自信息时候发生碰撞引起的时延， 这种时延我们一般称之为网络诱导时延。但是需要说明的是，这种时延的现象并不是 只是网络控制系统独有的，在传统的点对点控制系统也存在着通讯时延和计算处理数 据的时延，但是由于这种系统的通信线路是独享的，数据通信的时候不存在随机等待 和网络空闲时间，所以这个通讯时间是可以忽略的，而这种系统的主要时延就是计算 处理实验。因此，网络诱导时延问题出现并不是传统的点对点控制系统的研究难点， 但是对 NCS 来说，这种网络诱导时延却是最大要解决的问题，因为在 NCS 中，设备 的计算处理时间随着硬件水平不断提高，采样周期不断变小，已经现在是可以忽略的， 反之，网络诱导时延却因为共享信道而变得重视起来。因此针对 NCS 来说，我们主要 研究的时延问题就是网络诱导时延。 在一般的情况下，网络诱导时延主要由以下的因素组成： 数据包排队等待时延。也就是当网络繁忙或者数据包在信道中发生碰撞，或者数 据包等到网络变得空闲所需要的时间。 信息产生时延。即发送端将等待发送的信息封装成数据包然后进入排队队列所需 要的时间。 传输时延。就是数据包在实际传输媒介上传输信息所需要的时间，它的大小是缺 觉与数据包的大小、网络带宽和传输信息的距离等因素。 上面的这三种时延构成了网络诱导时延的主要组成部分。在网络传递传感器、控 制器、执行器之间的信息时候，在经过路由器时候还有排队时延，以及不同网络段之 间的传输时延等等也是时延产生的部分。另外一点，基于以太网的控制系统在发生数 据丢失或者出错的时候允许重发数据包，这在时间上也是增大了数据传输时延。 为了便于分析 NCS 中的时延产生和构成，我们给予以下的表达。 表达 2.1：在 NCS 中，将传感器采样到数据的时候起到该数据开始被控制器处理 这段时间，我们称之为传感器-控制器时延； 表达 2.2：在网络控制系统之中，将控制器产生某种控制的信号的时候开始，到该 控制信号被执行器完成处理的这段时间，我们称为控制器-执行器时延。 武汉理工大学毕业设计（论文） 7 图 2.1 网络控制系统时延种类 网络时延是系统中数据传输过程中产生的，它是不是对所有的数据都会产生不好 的影响，还是说只是对某些数据有不利，这就需要我们了解信道中传输数据的类型和 对实时性的不同要求。 在 NCS 中，一般来说，需要传输的数据我们可以分为三类：周期数据、猝发数据 和非实时数据。下面就这些不同的数据做简要的描述和说明。 第一，周期数据：这类数据一般指各种传感器和控制器的 I/O 信号和部分系统的 监测数据。这一类数据对时间得要求比较严格，一般妙计的延时是不能被允许的，在 特定的高要求场合，甚至毫秒级的延时也是不能容忍的。此外，遂于周期数据来说， 只有最新的数据才是对系统有意义的，要是在一个时期内，一个周期数据没有发出或 者出错，而此时下一个周期数据已经到来，那么上一个数据就要丢弃，因此它不需要 重发。 第二，猝发数据：顾名思义，猝发数据是指那些实时性比较高的数据，比如说报 警信号和紧急操作指令数据。一般说来，这种数据的优先级是最高的，而且必须保证 它在系统中的传输是准确无误的。但是由于此类数据的数据长度一般都比较短，数据 量都相对较少，所以在系统中占有的带宽也是比较低的。 第三，非实时数据：如它的名字一样，它的实时性是不需要的，也就是说它对时 间得要求不如前面集中高，允许有一定的时延。不过这一类数据的数据长度都比较大， 而且它的长度是不能被预测的，因此数据量大，占用系统带宽也非常高，在形式上都 是以小型或者微型的文件出现的，虽然它的实时性要求不高，但是它所传输的信息一 般都是有实际意义的，所以不允许丢失，也不允许出错，即需要差错控制和重发手段 来保证数据的完整和准确度。 综上所述，周期数据和猝发数据都是属于实时数据，即对网络的时延要求都比较 武汉理工大学毕业设计（论文） 8 高。前者在对实时性的要求上应该满足截止期的要求，对时延的特性也较为敏感，时 延的不确定性影响了闭环控制的稳定性；后者则希望该数据能够及时得到系统的回应， 也就是说时延越小越好，同时在数据的可靠性上要求要高于周期数据。 2.2 网络控制系统时延组成 本文主要是分析研究 NCS 中的延时，那么，要解决延时对于整个控制系统的影响， 那么必须先了解延时的组成，这样才能针对解决时延对系统的不利影响。网络诱导时 延是随着网络负载的变化而变化的，是时变不确定的，它的存在会降低系统的性能甚 至会引起系统的不稳定，正因为这样的原因，所以 NCS 的分析与设计必须考虑其影响。 网络控制系统中存在的延时从类型分类上来说可以分为：传感器处理延时、控制 器处理延时、执行器处理延时、传感器到控制器网络延时、控制器到执行器网络延时。 从性质上又可以分为节点处理延时和网络传输延时（或者两者称为处理延时和通讯延 时） 。 图 2.2 网络延时组成图 图 2.2 所示，节点处理延时包括消耗在源节点上的延时（包括图中的节点预处理 时间 pre和等待时间 wait）和消耗在目的节点上的延时（后处理时间 post） 。网络传 输延时表示为 tx符号。所以信息从源节点到达目的节点传输的总实验可以用下面的 表达式表示：delay =pre +wait +tx +post。下面我就这几种延时分别做一些说明。 源节点的预处理时间 pre是指节点从外部设备取得物理数据并把物理数据格式化 为通信网络所需要的格式的时间。这个时间一般都是取决于节点的软硬件环境，不过 武汉理工大学毕业设计（论文） 9 在很对多情况下，节点的预处理时间是可以考虑为恒定或者可以忽略的。 节点等候时间 wait是指数据链路层数据帧在发送缓存中等待 MAC 协议发送的时 间，包括缓存队列中的排队时间和进行信道竞争等待信道空闲的时间。这种等待时间 一般都是受节点发送信息队列的长度、网络介质访问控制方式、网络负载、信息调度 策略和 MAC 层协议的影响。 目标节点后处理时间包括接收来的数据包解码成物理数据形式并作用于外部设备 所需要的时间。这个时间决定于节点的特性，一般也可以视为恒定的或者可以忽略。 网络传输时延 tx是指从源节点发送等待发送信息的第一个字节时候开始到信息 最后一个字节被接收完毕时刻之间的时间。这个时间得长短取决于数据的传输速度， 数据包的大小，源节点和目的节点之间的物理距离等因素影响。网络传输时延可以用 公式表示为：tx = NTbit +prop ，其中 N 是信息数据包的字节个数，Tbit是源节点 发送每个字节的时间间隔，prop是两个节点间物理信号的传输时间，这个传输时间在 网络物理范围不大的情况下很小，所以一般情况下是可以忽略的。 节点后处理时延 post是指将数据包解析还原为应用层信息并传递给任务的时间， 它与目标节点的设备性能有关。 从以上的延时分析可以看出，网络控制系统中的延时与网络协议，信息长度，网 络负载，网络速度，节点间物理距离等诸多因素有关。其中对于实际系统发送处理延 时 pre和和节点后处理时延 post是取决于设备的性能，当系统给定的时候，他们的值是 性对固定可以预测的，或者说是在一个很小的范围内波动的，也就是说是能够相对确 定的。tx则是取决于保温的发送速度以及源节点与目的节点之间的物理距离，因此它 也是确定的。所以，网络延时主要由等待延时 wait决定，且等待时延是随着网络节点 数和数据量变大而增大。正常的工作条件下，网络流量是基本稳定的，对于不同协议 的系统，等待时延随着介质访问控制机制不同而有很大的差异。因此，网络控制系统 的时延不确定性主要来自 MAC 层的等待时延，怎样补偿等待时延便是提高系统性能， 提高系统实时性能的关键要素。 2.3 网络负载分析 在网络控制系统中，由于所有节点和设备都是共享一个信道或者总线，然而信道 的负载总会有最大值，因此网络负载的大小也会影响系统的性能，也就是说网络负载 是产生时延的直接原因。 在我们作网络规划的时候，负载分析是考察网络的可调度型和了解时延分布特性 的重要环节。网络负载包括理论负载和实际负载两类，前者是指在理想情况下（没有 武汉理工大学毕业设计（论文） 10 信道中消息的冲突和干扰信号的干扰）由发送任务产生的信息重量的单位时间平均值； 后者是指网络运行过程中，单位时间内成功发送到信道上的数据（包括冲突重发的数 据） ，即单位时间内占用信道资源的信息量。 一般来说，理论负载包括周期任务产生的周期性数据，如各种传感器和控制器的 I/O 信号和部分系统的状态检测数据，还以系统的报警信号、紧急操作等十分重要的猝 发数据。在系统开始运行和系统结束的时候产生的用户数据等非实时数据则不影响运 行状态，可以不计算在内的。由于控制网络的周期性发送任务主要是传感器数据和控 制信号的发送，在发送周期和控制回路的采样周期一致，在确定了各回路的采样周期 之后，就可以估计出一段时间内的理论负载。即使猝发数据是有突发事件产生的，是 不可预测的，但是由于其信息量小，信息长度短，所以是可以按上界来计算的。 我们加入 NCS 中一共有 M 个周期发送任务，选取所有任务周期的最小公倍数作 为运行时间 Tnm，这短时间内的理论负载可以由下面的公式来描述。 run M i i run i th T sTTN P 1 )()( （2.1） ),( )()2()1(M run TLTTLCMT （2.2） 在式（2.1）中，N（i）表示任务 I 发送的比特信息量，T（i）表示任务 i 的周期，s 表示运行时间内产生的猝发信息量。 当然上述式子计算的理论负载在实际设计中是有不妥的，因为在实际中的负载除 了包括理论负载之外，还包括协议开销（时钟同步、令牌传输等等）和有各种原因产 生的重发信息量。实际的负载是一个瞬时值，猝发数据和信息冲突造成重传数据引起 的负载波动会影响某个时刻负载的大小。在网络运行的时候，奇特导致时延不确定性 的因素是不会再发生变化，所以我们才说负载波动才是产生延时的直接原因。 因此，在考虑网络负载是否和网络承载能力相适应的时候，通常都是采用带宽利 武汉理工大学毕业设计（论文） 11 用率 U 来作为衡量的指标。带宽利用率可以定义为网络上传输信息的总时间（包括哟 与信道冲突或者误码引起的信息重传时间）和网络总运行时间的比例，或者实际负载 的平均值和网络带宽之比，表达式如下： run K i i tpbitph TiMtddPU)( 1 )( （2.3） 在这个式子中，K 表示所有发送任务和可能发生的猝发任务总数，Mt（i）表示在 运行时候 Trun内，任务 i 是成功发送的次数（包括重发次数） ，d（i）tp表示任务 i 的传输 时延。显然的，Mt（i）是不确定的，只能通过试验得到的测量值。在设计规划的阶段， 带宽利用率可以按照网络的理论负载来估计。当 U 在小、中、大 3 个不同的数值范围 的时候，对应的网络状态可以称之为轻负载、中负载和重负载。在轻负载网络中，信 道多处于空闲状态，传输时延称为主导因素，因此时延的抖动较小。随着 U 的增大， 信息冲突曾都，势必造成时延加剧，平均实验也就随之上升。当 U 接近 1 的时候，网 络趋于饱和，说明网络资源被使用殆尽，网络的可调度型变差，很可能出现截止期丢 失，所以这种情况应该尽量避免。 2.4 网络控制系统数据传输技术 在 2.2 节中，我们讨论了关于网络诱导延时的组成部分，并且得到网络控制系统的 时延不确定性主要来自 MAC 层的等待时延的结论，所以说网络控制系统的 MAC 层协 议和数据传输技术也是影响延时的主要因素，那么，在现阶段，MAC 层协议所定义的 数据传输技术分为事件触发式的总线争用技术和时间触发式的令牌控制技术，它直接 决定介质访问控制机制。 1 CSMA 技术 CSMA（载波监听多路访问）是一种总线争用技术，这种介质控制凡是对于任何 的几点都没有预约发送时间，节点的发送请求是随机或者是有事件来触发的，当系统 中有多个节点同时要求占用信道用来发送信息的时候，就需要一个机制来控制。在 CSMA 中，规定任何要发送的数据节点首先要监听总线是否空闲，如果信道空闲，那 么就可以发送，如果总线繁忙，那么久需要等待一段时间间隔之后重新发送。在关于 坚挺总线的同时决定是否发送的算法中，我们可以采用 3 中算法，分别是不坚持算法、 1-坚持算法和 P-坚持算法。这三种算法的具体思想可以参考武汉理工大学陈伟老师主 编的数据通信与计算机网络一书。 武汉理工大学毕业设计（论文） 12 CSMA 是实现技术相对简单，也能及时响应猝发数据的传输，但是由于它没有考 虑到周期数据的时间限制，所以即使满足了截止期的要求，随机争用到信道的几率还 是很小，隐私它被认为是不确定性的传输技术