（控制理论与控制工程专业论文）基于internet网络诱导滞后的扳手劲竞赛控制系统研究.pdf

摘要 摘要 在传统控制系统中引入i n t e r n e t ，将i n t e r n e t 作为数据传输介质，是基于现 场总线的控制方式在控制理念上的延伸和发展，是目前自动控制理论研究的重 点，是今后控制技术重要的发展方向。基于i n t e m e t 的远程控制构筑了真正意义 上的远程控制系统，逐步实现任何人在任何时间对位于任何地点的设备进行自动 控制。该技术是自动控制理论与计算机及网络技术的融合、是一门交叉学科的应 用技术。 本文以网络技术在控制系统设计中的实际应用为出发点，探讨了网络控制 系统设计思想，设计并开发了基于i n t e r n e t 扳手劲竞赛控制系统( a r mw r e s t l i n g c o n t e s tc o n t r o ls y s t e m ，a w c c s ) 实验平台，从理论上和实现方法上对基于i n t e r n e t 的远程控制进行了较系统的研究。 本课题的研究是针对基于i n t e m e t 的控制系统中存在着网络诱导产生的滞后 问题展开。指出由i n t e m e t 产生滞后时延，是导致被控系统不稳定主要原因，进 一步分析了i n t e r n e t 网络产生时延滞后的原因和时延组成，并基于i c m p 协议对 网络时延进行测量，分析了时延的分布特征。既然网络诱导滞后是不可避免的， 本文提出了采用补偿器的方法解决滞后导致的性能恶化问题，提高控制系统的动 态响应性能。由于网络诱导时延是不确定的，随机的，决定了补偿器模型不能是 一成不变，为了提高补偿精度，在补偿器的基础上提出了一个改进补偿方案 在线时延预测补偿，采用加权时延预测算法在线预测网络时延，该方法可以提高 控制系统的整体性能。 为了更进一步的验证和完善控制算法，本课题设计了一个实际的基于 i n t e r n e t 网络的控制平台基于i n t e m e t 扳手劲竞赛控制系统实验平台。文章在 给定的硬件系统基础上，通过理论推导和提炼，得出了系统的控制结构图，指出 这一系统是一个典型的网络滞后系统，则在线补偿的方法适用于本控制系统。本 文进一步给出了被控对象的数学模型和参数。本文通过t r u e t i m e 软件仿真平台， 对处于网络环境的控制系统进行仿真，通过仿真得出补偿算法的有效性。 关键词：远程控制系统；网络诱导时延；扳手劲；在线时延预测 广东工业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mt ow h i c hw ei n t r o d u c e dt h ei n t e m e ta sad a t a t r a n s m i s s i o nm e d i u mi se x t e n s i o na n dd e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o l l i n gc o n c e p tb a s e d o nf i e l d b u sc o n t r 0 1 i ti st h ef o c u sr e s e a r c ho fa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya tp r e s e n ta n d a ni m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no fc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e i n t e m e t - b a s e d r e m o t ec o n t r o lb u i l tar e a lt e l e c o n t r o ls y s t e m ，a n dg r a d u a l l yb r i n ga b o u tt h a ta n y p e r s o nc a nc o n t r o lt h ee q u i p m e n ta ta n yt i m ea n y w h e r e t h i st e c h n o l o g yw h i c h i n t e g r a t e st h ea u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y 、c o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , i sa c r o s s d i s c i p l i n a r ya p p l i c a t i o n t h i sp a p e rs e e m st h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fn e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m sa ss t a r t i n gp o i n t ，d i s c u s s e st h ed e s i g no fn e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，a n d d e v e l o p sa ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mc a l l e dt h ei n t e r n e t b a s e da r mw r e s t l i n gc o n t e s t c o n t r o ls y s t e m as y s t e m a t i cr e s e a r c ho nt h et h e o r ya n dm e t h o d sa b o u tt h e i n t e m e t b a s e dt e l e - c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i sr e s e a r c hh a sf o c u s e do nt h ei s s u eo ft i m ed e l a yw h i c hi n d u c e db yn e t w o r k i ni n t e m e t b a s e dc o n t r o ls y s t e m t h ep a p e ri n d i c a t e st h a tt h en e t w o r k i n d u c e dd e l a y i st h em a i nr e a s o nd u et oc o n t r o ls y s t e mi n s t a b i l i t y , a n da n a l y z e st h er e a s o no ft i m e d e l a ya n di t ss t r u c t u r e w em e a s u r et h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a yb a s e do nt h ei c m p p r o t o c o la n da n a l y z ei t sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r s s i n c et h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a yi s i n e v i t a b l e ，t h i sp a p e rp r e s e n t s as o l u t i o nt o c o m p e n s a t et h el a gd u e t ot h e n e t w o r k i n d u c e dd e l a yt oa v o i dd e t e r i o r a t i o no fc o n t r o ls y s t e m ，a n di tc a ni m p r o v e t h ec o n t r o ls y s t e md y n a m i cr e s p o n s ep e r f o r m a n c e a st h en e t w o r k i n d u c e dd e l a yi s u n c e r t a i n ，r a n d o m ，t h ec o m p e n s a t i o nm o d e li sn o ti m m u t a b l e i no r d e rt oi m p r o v et h e a c c u r a c yo fc o m p e n s a t i o n ，w ep r e s e n t sa ni m p r o v e dc o m p e n s a t i o nm e l o d c o m p e n s a t i o nw i 廿1t i m ed e l a yp r e d i c t i n go n l i n e a n di n t r o d u c et h ew e i g h t e dd e l a y p r e d i c t i o na l g o r i t h mt of o r e c a s tt h et i m ed e l a yo n l i n e ，t h i sm e t h o dc a ni m p r o v et h e c o n t r o ls y s t e m so v e r a l lp e r f o r m a n c e t of u r t h e rt e s ta n di m p r o v et h ec o n t r o la l g o r i t h m ，w ed e s i g nap r a c t i c a lc o n t r o l a b s t r a c t p l a t f o r mw h i c hb a s e do ni n t e m e tn e t w o r k , i n t e m e t - b a s e da r mw r e s t l i n gc o n t e s t c o n t r o ls y s t e me x p e r i m e n tp l a t f o r m k e yw o r d s ：t e l e c o n t r o ls y s t e m ；n e t w o r k i n d u c e dd e l a y ；a n nw r e s t l i n g ；o n l i n e d e l a yf o r e c a s t i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优照的科学道德，本人声骥所呈交的论文是我个入在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了鹱确的说骧，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 艾残果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，。特此声明。 指导教师签字： 7 6 石丫 五 钿 。遗 纷帆冲 字 签 者作文 第l 章。绪论 第1 章绪论 1 1 基于in t e r n e t 的远程控制发展现状及研究意义 1 1 1 基于ln t e r n e t 的远程控制发展现状 i n t e r a c t 发展和普及改变了人们的生活、工作和思维方式，并且从最初的辅 助性工具开始逐渐成为很多人日常生活、工作和学习的重要组成部分。由于 i n t e m e t 在信息传递上的各种优势，基于i n t e m e t 的远程控制技术伴随着技术的进 步得到了迅速的发展并且取得了大量的成果，目前这些成果主要集中在远程操作 的范围内，包括的应用领域包括：远程学习实验室、教育科研共享设备、远程手 术、汽车控制、家电控制、航空航天以及遥操作机器人等，其中以基于i n t e m e t 的遥操作机器人的研究成果最引人注目。 基于i n t e m e t 的机器人的遥操作的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，最早出现在 i n t e m e t 上的遥操作机器人系统是1 9 9 3 年1 1 月德福大学开发的机器人天文望远 镜。该天文望远镜在i n t e r a c t 上对天文爱好者开放，爱好者可以通过w e b 浏览器 访问其主页，控制望远镜变换角度和焦距，并把观测结果通过电子邮件发送给使 用者。在以上的基于i n t e m e t 远程操作中，网络上传送的信息主要是图像、声音、 文字等多媒体信息。对于决策者来说，首要问题是获得尽可能多的详细准确的多 媒体信息，而信息传送的实时性则是次要的。随着对于这一课题研究的深入，人 们并不满足于仅仅视觉上的控制，开始研究如何对特定设备的行为进行远程控 制，典型代表是澳大利亚的w e s t e r n 大学的a u s t r a l i a s t e l e r o b o t 系统u 。该系统可 使访问者通过i n t e r a c t 对该实验室内的六自由度机器人进行遥操作，通过i n t e r a c t 向机器人发出操作指令。安装在其周围的多个摄像头会把机器人的每步移动的图 像记录下来，并给用户返回一幅静态图像。用户通过观察图像中的机器人的位置 变化来决定下一步的操作程序- o 通过不断更新的图像，用户可以一步步完成对机 器人的远程操作。此外，1 9 9 4 年9 月美国加州大学伯克利分校完成了m e r c u r y 广东t 业大学工学硕：l 学位论文 项目，将a s e a i r b 一6 工业机器人连接到i n t e m e t 上，操作者可以通过登录到其网 站通过控制界面使用鼠标和键盘控制机器人进行物品挖掘工作。1 9 9 5 年， g e o r g eb e k e y 和s t e v eg o l d b e r g 使用六自由度机器人、回转平台与立体摄像机， 开发了“饮水的主妇”，从而使世界各地的学者可以通过浏览器观察与欣赏博物 馆中的艺术珍品。1 9 9 8 年6 月，p u m ap a i n t 联入i n t e m e t ，任何连入网络的计 算机用户都可以通过网络控制一台p u m a 7 6 0 机器人在画架上作画。 如图1 1 所示为基于i n t e m e t 的远程控制系统原理图。控制系统的前向通道 和反馈通道均由i n t e m e t 构成，系统中本地计算机通过i n t e m e t 向远端计算机不 断地传送控制信息，同时远端计算机通过i n t e m e t 向本地计算机不断地传送被控 对象运动的采样信息，以便与输入信息进行比较，再发出控制信息，完成远程自 动控制过程。在基于i n t e m e t 的远程运动控制系统中，需要对远程机械的运动量 操作 检测 图1 1 基于i n t e m e t 的远程控制系统原理图 f i g 1 1i n t e m e t b a s e dt e l e c o n t r o ls c h e m a t i cd i a g r a m 进行实时控制，为了实时得到机械运动量的变化情况，就必须对机械运动量进行 高频率的采样，实时进行传递，此时产生的机械运动信息量往往不大，但频率很 高。例如在基于i n t e m e t 的远程控制系统中，采样周期若为1 0 m s ，作为反馈信息 。的机械运动位置信号的大小可用4 个字节来描述，但是每秒钟需要采样1 0 0 个位 置信息，并且要实时传递，这就对系统信息传递的实时性提出了很高的要求。当 前i n t e m e t 的实际状况与远程控制的要求不尽一致，网络数据传输中存在的一些 基本问题，包括：网络诱导时延、数据包丢失、数据包乱序、单包传输或者多包 传输、网络调度以及网络节点的工作模式等，影响到控制系统的建模，系统的分 析和设计。这对传统的自动控制技术提出了挑战，尤其是在目前的i n t e m e t 环境 下实现针对产生频率高、信息量小的机械运动信息进行的远程实时自动控制，保 证系统良好的动态性能和稳定性，是实现真正意义的远程控制的关键。国内外基 2 第1 章绪论 于i n t e m e t 的远程实时自动控制的研究还都处在黎明期，相关的研究效果不够理 想，也没有形成完整的解决方案，距离实际应用还有很长的路要走5 。1 0 3 。 1 1 2 本课题的意义 由于科学技术的不断发展，生产规模的不断扩大，现代控制系统，不论是过 程控制还是运动控制系统都趋向于高精度、微型化及大规模化发展，网络化是大 规模控制系统发展方向的一个重要分支。当网络选定为i n t e m e t 时，由于i n t e m e t 本身固有的特点，比如不确定性延时、丢包等等，使得控制系统产生许多新的问 题。融合了控制理论和网络技术的基于i n t e m e t 的远程控制技术的研究顺应了时 代科技和经济发展的需要，可以说它是自动控制理论和控制技术今后一个重要的 研究方向之一。用i n t e m e t 控制系统实现广域网乃至全球范围内的监视与控制， 这是工业控制系统的发展趋势。研究基于i n t e m e t 的远程控制方法对完善远程控 制，减少远程控制系统的成本、扩大远程控制的应用范围都有着重要的实用意义。 ， i n t e m e t 网络控制中网络诱导时延会造成系统不稳定，使得系统性能恶化。 本课题主要是针对时延问题进行研究，并建立了一个研究平台基于i n t e m e t 网络扳手劲竞赛控制系统，验证提出的控制方法是否有效和实际性能，为今后的 进一步研究提供参考价值。 1 2 本课题的主要研究内容以及论文结构 本文的研究内容来源于r o c k w e l l 实验室建设项目，设计了一套基于i n t e m e t 的扳手竞赛控制系统，从理论上和实现方法上对基于i n t e m e t 的远程控制进行了 较系统的研究。 第一章，主要对基于i n t e m e t 网络控制系统的发展作了一个简单回顾，对目 前的研究现状做了简单的介绍，说明了i n t e m e t 网络控制带来的好处，指出这一 研究是非常必要的，而且也是可行的。 第二章，介绍了目前i n t e m e t 网络控制系统中存在的基本问题，指出网络时 延是影响控制系统性能的主要原因。接着分析了网络时延产生原因和组成，介绍 了时延的测量方法。给出了系统时钟同步算法，通过实际测量分析了网络时延的 分布特征。 广东工业大学工学硕上学位论文 第三章，首先分析了i n t e m e t 网络控制系统的结构，建立网络控制系统的数 学模型。通过大量仿真指出网络时延对控制系统的性能有很大的影响，针对 i n t e m e t 远程控制系统的前向通道和反馈通道存在信息的传递时延是造成系统不 稳定的主要原因，分别设计了反馈通道时延补偿器和前向通道时延补偿器，并综 合两个补偿器的设计原理，设计出系统的全补偿器。为了提高补偿精度，在全补 偿器的基础上提出了一个改进补偿方案在线时延预测补偿。介绍了基于最小 二乘支持向量机( l s s v m ) 的网络时延预测算法、移动平均预测算法和加权时延 预测算法，通过实验对比三种算法的优劣性。 第四章，根据本课题的实际系统提炼出系统的控制结构，重点研究了通过 i n t e m e t 网络远程控制部分。给出被控对象模型参数等，并通过仿真实验证实了 设计的时延补偿器的有效性。 第五章，介绍了本课题实际系统平台设计，对硬件设计部分做的简要说明， 主要论述本系统在软件实现方案上遇到的一些主要问题，并有针对性的提出了相 应的解决思路。 4 笫2 章基于i n t e r n e t 的控制系统存在的问题 第2 章基于i n t e m e t 的控制系统存在的问题 2 1 基于in t e r n e t 的控制系统概念与特点 将现场传感器、控制器和执行器通过通讯网络进行连接并实现信息之间相互 交换，从而实现被控对象的实时反馈控制，这类控制系统称之为网络控制系统 ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称为n c s ) 。网络控制系统的概念可以追溯至上 个世纪八十年代后期r a y 等人关于集成通讯控制系统( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o n a n dc o n t r o ls y s t e m s ，简称为i c c s ) 的研究，i c c s 可以看成是n c s 的雏形。直到 1 9 9 9 年n c s 的概念才在由w a l s h 等人在文献 1 1 中正式提出。将控制器和被控 对象在地理位置上进行分离，就实现所谓的远程控制，如图2 1 所示。 反馈信息 图2 - 1 远程控制原理图 f i g 2 - 1t e l e c o n t r o ls c h e m a t i cd i a g r a m 早期n c s 的传输介质通常是采用专用网络和专用的控制协议，如各种现场 总线协议，需要专用的硬件实现，整体缺乏通用性。 随着i n t e m e t 技术的发展，在现有远程控制系统的基础上，我们以工业生产 的远程控制为研究的主要方向，将工业生产过程的监控信息接入i n t e m e t ，在一 定条件下就可以通过i n t e m e t 监视并控制生产系统和现场设备的运行状态和各种 参数，根据经营需要及时发出调度指令，或者利用本地丰富的软硬件资源对远程 对象进行高级过程控制等，这就构成了我们将要研究的基于i n t e m e t 的远程控制 系统。 基于i n t e m e t 远程控制系统最大特点就是开放性。任何人在任何时候、任何 地方，只要能连上i n t e m e t ，就能实现对远程设备的控制。此外，基于i n t e m e t 的远程控制系统还有以下的特点： 1 实现现场设备层和企业管理层的无缝连接 广东- 丁业大学工学硕士学位论文 i n t e m e t 己成为企业管理网络的首要选择，将i n t e m e t 应用于现场设备的控制 网络，实现企业信息网络和控制网络的融合，促进企业整个信息化的集成。通过 通用的浏览器，并经过身份认证后，生产管理者、设备维护者乃至用户都可方便 地了解到现场设备土作状态的信息。另外，通过建立设备运行档案数据库，可实 现设备从制造、安装到运行的全生命周期管理。 2 控制系统的成本降低 这主要表现在两个方面：一是支持i n t e m e t 通信的网络设备比较多，设备成本 比较t 氐；- - 是熟悉i n t e m e t 网络操作的用户较多，整个系统的培训、维护都比较容 易。因此，与以往的控制系统相比，基于i n t e m e t 的控制系统的成本可大大降低。 3 更高的稳定性 光纤网络己成为i n t e m e t 的主干网络，光纤所具有的良好的抗噪声干扰性能 使得i n t e m e t 更加适合使用在实时监控的高噪声设备现场环境。 基于i n t e m e t 的远程控制系统所具有的上述优点都是目前传统机电控制技术 所无法比拟的。其典型的网络结构有两种u “：径直结构( 图2 2 ) 和分层结构( 图 2 3 ) 。在径直结构中，传感器和执行器直接连到网络上，控制器通过网络读取传 感器信号，然后计算控制信号，再将控制信号通过网络发送到执行器上。这样本 地控制器和远程执行机构以及被控对象通过因特网组成了一个闭环控制系统。其 中本地控制器根据输入信号和反馈信号，计算出控制信号，然后通过i n t e m e t 传 送给远程执行机构，远程执行机构则根据接收到的控制信号发出实际的控制指令 来控制对象。径直结构的典型应用包括远程学习试验室和直流电机控制系统。 图2 2 径直结构 f i g 2 - 2d i r e c t l ys t r u c t u r e 在分层结构中，中心控制器通过网络将计算好的参考信号发送到远程系统， 远程系统然后根据参考信号来执行本地的闭环控制，并将传感器测量数据返回给 主控制器。远程操作人员一般置于控制结构闭环系统之外，从而尽量减小不确定 时延对整个系统的影响。一般而言，网络化控制回路具有比本地控制回路更长的 采样周期。这是因为，远程控制器在处理新到达的参考信号之前，假定己经满足 6 第2 章基于i n t e r n e t 的控制系统存在的问题 参考信号。这种结构的典型应用有远程控制机器人、汽车控制等。 卜制器一蛹 执行器 被控对象 传感器 图2 3 分层结构 f i g 2 3d e l a m i n a t i o ns t r u c t u r e 两种控制结构各有优缺点，应用领域也各不相同。在一个大规模的n c s 中 有可能同时采用两种结构，这是由n c s 的异质网络结构所决定，如果将远程闭 环系统建模成类似于纯被控对象的状态空间模型或者传递函数，则分层结构实际 上可以转成径直结构u “。 2 2 基于ln t e r n e t 的控制系统基本问题 在i n t e r n e t 网络控制系统中，i n t e r a c t 是控制系统的各种信息，例如传感器的 测量数据、控制量以及控制系统的状态信息，进行传输和交换的唯一通道。i n t e r a c t 网络数据传输中存在的一些基本问题，包括：网络诱导时延、数据包丢失、数据 包时序错乱、单包传输或者多包传输、网络调度、时钟同步以及网络节点的工作 模式等，这些问题导致了系统品质的下降，影响控制系统的建模，系统的分析和 设计，严重时甚至会导致系统不稳定。下面分别介绍各个基本问题m 3 1 4 。1 7 1 1 网络诱导时延 控制系统通过网络交换数据时，会由于诸多节点共享同网络通道而产生时 延，称之为网络诱导时延，是网络控制系统研究中面临的主要问题之一。若在设 计控制系统时不考虑这种时延的存在将降低控制系统的性能，甚至还会引起系统 的不可控。 网络诱导时延一般认为由四部分组成：传感器节点采集数据、处理数据和竞 争发送权所花费的时间；传感器数据在网络上传输的时间；控制器节点计算控制 量、处理数据和竞争发送权所花费的时间；控制量在网络上传输所花费的时间。 数据在网络上传输的时间又称为通道时延，而节点竞争发送权所花费的时间又称 为器件时延。一般来说，当网络中不含网关、路由等中继设备时，通道时延可以 认为是固定的，其大小与网络的速度、数据包的大小有关。而当网络中含有中继 7 广东工业大学工学硕士学位论文 设备( 例如网关、路由器、网桥等) 时，中继设备中的队列机制会增大通道时延， 还将使得通道时延也具有时变特性。器件时延的大小与网络的协议相关，可能是 固定的，也可能是时变的。在进行系统分析与设计时，可将器件时延和通道时延 合并考虑，标记为传感器一控制器和控制器一执行器的时延，称为网络诱导时延。 为了对时延进行建模和分析，根据不同的网络协议，网络诱导时延可以建模 为常数时延、随机时延和时变时延。网络诱导时延存在于控制系统的信息反馈通 道中，对闭环系统的性能有十分重要的影响，必须予以考虑，大量学者针对时延 进行了分析和论述，并取得了瞩目的成果，文章将在2 3 节进行比较详细的论述。 2 数据包丢失 i n t e m e t 是一个具有不可靠传输路径特性的网络，在传输过程中，有些数据 包不仅会产生传输时延，当网络出现拥塞、信息冲突或节点失灵时还会出现丢失、 乱序等现象。虽然i n t e m e t 具有重新传输机制，但也只能是在一个有限的时间内 传输，当在规定的时间内仍然没有成功发送数据，数据就会丢失。 一般而言，采样反馈控制系统允许部分数据的丢失，但过多的数据包丢失有 可能引起系统的不稳定。因此，研究在数据包以一定速率传输的情况下是否能保 证系统的稳定性是很有意义的。 3 单包传输和多包传输 单包传输是指网络控制系统中的传感器、控制器的一个待发送数据被捆在一 个数据包中一起发送。多包传输是指网络控制系统中的传感器、控制器的一个待 发送数据被分为多个数据包进行传输。在包交换网络中要进行多包传输，一方面 是因为单包字节大小的限制，一个数据包只能装载有限的信息；另一方面是因为 网络控制系统的传感器和执行器常常分布在一个很大的物理空间，要将这些数据 放在一个数据包中往往不可能。传统的采样控制系统都是假设被控对象的输出和 控制输入是同时传递的，而这在具有多包传输的网络控制系统中已不再成立，因 为一个数据要分成多个数据包多次传输，这些数据包不可能同时传递，也不可能 同时达到。 4 数据包时序错乱 在网络环境下，被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一，这 必然导致数据包的时序错乱。在网络控制系统中，数据包的时序错乱有分为以下 两种情况： 8 第2 章基于i n t e r n e t 的控制系统存在的问题 ( 1 ) 单包情况下，每一包数据便是一个完整的数据，此时数据包的时序错乱 是指原来有一定先后次序的多个完整的数据，在从源节点发送到目标点时，其到 达的时序与原来的时序不同。 ( 2 ) 多包情况下，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源 节点到达目标点时，其到达的时序与原来的时序不同。 4 网络调度 在网络控制系统中，控制环的性能不仅依赖与控制算法，而且也依赖于对共 享的网络资源的调度，网络调度发生在网络用户层，而不是发生在传输层，调度 算法所关心的是被控对象传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权，而不 关心被发送的数据如何更有效地从出发点到达目的地，以及当线路堵塞时应采用 何种措施。这些问题在网络层由线路优化和堵塞控制算法来考虑。另外，发生在 用户层的调度控制，还可以调度控制环的采样周期和采样时刻，已尽量避免网络 冲突现象的发生，从而最大限度地减少数据的传输时延。 5 时钟同步 在网络控制系统中，当控制器和执行器有一个为时钟驱动时，便存在一个时 钟同步问题。时钟同步的目的是给两个或多个节点的内部时钟以同样的值。时钟 同步本身就是一个很大的研究领域，它又分为硬件同步和软件同步。在网络控制 系统中，由于系统的节点有可能分布在一个较大的空间，用硬件同步一般比较困 难，多采用软件同步的方式，关于软件同步的方法文章在2 3 3 节将有比较详细 的论述。 6 网络节点的驱动方式 网络控制系统的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。时间驱动是 指网络节点在一个事先确定的时间内到时开始它的动作。事件驱动是指网络节点 在一个特定的事件发生时便开始它的动作。网络控制系统中的传感器一般采用时 钟驱动，传感器的时钟即为系统的时钟；而控制器和执行器既可以是时钟驱动， 也可以是事件驱动。但事件驱动相比于时钟驱动具有以一下优点： ( 1 ) 控制器或执行器为事件驱动时，由传感器发送的数据- n 达控制器后便 马上参加运算，避免了控制器为时钟驱动时的数据等待被采样的时间，客观上减 少了网络诱导时延。 ( 2 ) 控制器或执行器为事件驱动时，避免了控制器或执行器为时钟驱动时的 9 广东工业大学工学硕士学位论文 与传感器时钟同步的困难； ( 3 ) 控制器或执行器采用事件驱动方式时，也避免了控制器或执行器为时钟 驱动时容易出现的无效采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。 但事件驱动相比于时钟驱动也有其缺点：( 1 ) 事件驱动相比于时钟驱动较难 实现；( 2 ) 一些实际的网络控制系统不支持事件驱动方式。 针对以上所述的采用i n t e m e t 网络作为远程控制系统所产生的一系列问题， 本文主要研究的是网络诱导时延对控制系统性能的影响，为了方便研究，结合实 际情况，有必要先作一些必要的假设，缩小研究范围： 假设1 ：不考虑数据在传输过程中可能出现的数据包丢失； 假设2 ：传感器和控制器的数据均采用单包传输，这样也就不存在数据包时 序错乱问题； 假设3 ：不考虑网络调度问题。 这样，本文的研究内容就集中在网络诱导时延上，对于在实际应用中又不得 不考虑的时钟同步问题做了简单的说明。 2 3 基于i n t e m e t 的网络时延问题分析 在基于i n t e m e t 的网络控制系统中，将被控对象和传感器接入i n t e m e t ，成为 网络的一部分以后，系统的控制信息和被控对象的运动状态反馈信息要在i n t e r n e t 上进行传送，往往要经过许多个计算机主机、路由器以及交换器等等，由于这些 计算机设备处理能力的限制，必然会对数据的传输产生滞后，并且网络带宽不同、 网络流量和路由的无规律变化更进一步的加剧了网络时延的随机和不稳定。这种 随机、不稳定时延的存在，就会左右远程控制系统的控制特性。一个稳定的、具 有较好控制品质的控制系统在控制回路中引入i n t e m e t 后，系统的稳定性可能被破 坏，系统的控制性能也可能变坏或系统根本无法正常工作，也就是说这种远程控 制系统的稳定性、系统的控制品质直接与i n t e m e t 的信息传送特性相关。因此本章 从i n t e r n e t 的本质入手，分析了i n t e m e t 时延的组成，并对网络时延情况做了分析 和测试。 l o 第2 章基于i n t e r n e t 的控制系统存在的问题 2 3 1 传输时延组成分析 潭端主机 图2 - 4 基于t c p i p 协议结构通信原理图 f i g 2 4c o m m u n i c a t i o nb a s eo nt c p i pa r c h i t e c t u r es c h e m a t i cd i a g r a m 在分组交换系统中，数据报通过路由选择从本地主机到达远程主机，路由器 则是做出这一选择的网络设备。基于i n t e r n e t 的远程控制系统时延t 是指控制器 和执行器之间的端到端的时延，有网络通信原理，将基于t c p i p 协议的网络时 延t 归结为3 部分组成：源端处理时延，网络时延和目的端处理时延1 8 1 。 ( 1 ) 源端处理时延瓦：这部分时延由数据采集、数据打包、以及把数据包放 到物理线路之前在队列中的等待时间所构成。前两部分受端点设备软硬件性能的 影响，一般情况下这两部分时间是稳定的，且相对于整个时延t 来说可以忽略。 ( 2 ) 网络时延乙甜： j l 乙耐= ( 乙唧+ 乃+ 乙m + ) ( 2 1 ) i = l 乙却指物理线路传输l b i t 信息所需要的时间，由电磁波通过物理线路的传 输时间决定，l b i t 数据的乙唧为5 9 s k m 。 c 是指包在路由器的输入队列中等待的时间，从数据包进入路由器到路由器 开始处理该包的时间间隔，它与路由器的队列管理机制、拥塞管理算法等有关。 瓦脚是指路由器从队列中读取数据包后，查路由表并转发到输出队列的时 间；它与包的大小、路由算法、链路状态、处理器的速度等硬件相关，相对整个 时延可以忽略。 乙是指从数据包进入路由器的输出队列到包的最后l b i t 数据离开该输出队 列的时间间隔。路由器有多种支持不同传输速率的端口，每种端口对应不同的输 广东工业大学工学硕士学位论文 出队列，端口及链路速度决定了乙，同时乙还受链路上流量的影响。 由于链路状态的复杂性、所经路由器数目等不确定因素，因此，瓦甜大小不 确定。 ( 3 ) 目标端处理时延死：数据包到达目的主机后，目的主机解析数据包并恢 复原始数据格式、然后把数据提交给应用层。这个过程的时延受端点设备软硬件 性能的影响，相对稳定。 综上所述，可以将基于t c p i p 协议的网络时延丁表示为： 丁= 乙+ ( 乙御+ 乙+ 。+ ) + 乃 ( 2 2 ) 2 3 2 传输时延测量方法 网络时延是影响控制系统实时性和控制系统稳定性的主要因素，要在延时情 况下实现对远程设备的控制，就必须对网络时延有比较深刻的了解，掌握时延的 状况和变化规律，时延测试更是分析网络性能的一个重要因素，通过网络时延测 试，可以了解到网络性能，时延分布特征等，它是反映网络性能好坏和网络稳固 性的一个重要指标。目前时延测试频繁地应用于端到端的网络性能分析中，为控 制系统设计提供重要的参考依据。 网络时延的测试方式很多，一般按照网络传输测试承载的协议将其可分如下 3 类睁2 1 | ： ( 1 ) 禾l j 用i c m p ( i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 ) 协议实现。这是最常用的测 量方式，最典型的应用就是操作系统里自带的“p i n g 命令。p i n g 是基于i c m p 请求应答( e c h or e q u e s t ) 报文开发的应用软件，p i n g 发送i c m p 的e c h o ( 类型0 8 ) 回应请求报文，当接收方收到该报文后，会马上返回一个e c h or e p l y ( 类型0 0 ) 回应应答报文，这样发送方收到反馈报文后就可以计算得出网络的传输时延。 p i n g 报文容易造成网络攻击，比较典型的有p i n go fd e a t h 攻击( 利用大于6 5 5 3 5 字节的非法报文长度去p i n g 主机，使得目标主机没有足够空间组装该报文而产 生死机等现象，对w i n d o w s 系统有效) 和n e t - p i n g f l o o d i n g 攻击( 利用大量的p i n g 报文造成d o s 攻击) 。由于其安全性不高，因此现在许多主机和防火墙开始过滤 i c m p 协议的报文。 ( 2 ) 利用u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 协议实现。当对方的主机或者中间节点 1 2 第2 章基于i n t e r n e t 的控制系统存在的问题 ( 包括防火墙) 出于安全等原因而过滤掉i c m p 报文后，可以使用u d p 报文来实现 网络的传输时延测量。u d p 报文的实现和i c m p 报文较为相似，都是无连接的。 不同的是u d p 协议需要指定一个端口，在实际使用时，可以任选一个端口，当 接收方该端口对应的服务不存在时，会立即返回一个“端口不可到达”的i c m p 报文( 类型0 3 ，码值0 3 ) 。因此，在使用u d p 报文进行测量时，要注意发送方发 送一个u d p 报文，接收方反馈的不一定是u d p 报文，也有可能是i c m p 报文， 这两种返回的报文都可以用来计算网络的传输时延。此外，u d p 协议在实现时 要注意其最大报文长度与i c m p 报文不同，通常应小于5 0 0 字节。 ( 3 ) n 用t c p ( t r a n s f e rc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议实现网络传输时延的测量。该方 法专门针对目前防火墙设置，实现比较复杂，但可适用于( 测量某些前两种方法 不能工作的特定环境，即防火墙不仅滤掉了i c m p 报文，也滤掉了u d p 报文， 只限制使用某些特定的t c p 协议。除了选取合适的承载报文，t c p 协议测量网 络时延的难点包括t c p 协议发送机制本身。t c p 协议为了提高传输效率，往往 不是即时发送报文，而要收集足够的数据后才发送，因此可能会产生发送方记录 的发送时间远远早于发送时间，而使得测量的结果大于实际值的现象。为了避免 这个现象的发生，要求在主动测量时，不但要求发送方在承载的t c p 报文中加 入p s h 标志( 即用p u s h 操作发送数据报文) ，此时将立即发送此数据报文而无需 等待，同时也要求接收方在反馈该报文时，也必须带p s h 标志。同理，在被动 测量时，要注意承载的报文必须是带有p s h 标志的报文，并且对应的反馈报文 也必须同样带有p s h 报文。因此，用t c p 协议实现网络传输时延的测量时，特 别是在被动测量时，必须长时间地等待合适报文的出现，否则测试的结果都将略 大于真实值。 三种方法各有利弊，i c m p 协议和u d p 协议实现起来比较容易，但容易被 滤除，效率也高。t c p 协议实现困难，不易被滤除，效率很低，当安全性最高， 测量也最准确。 2 3 3 时钟同步算法 网络性能测量是对i n t e r a c t 网络进行精确控制的重要前提条件。在进行单向 网络延和数据包丢失率等网络性能参数测量时，网络链路两端的时钟是否同步， 是测量结果是否精确的关键。因为时钟不同步导致的时钟误差是单向网络性能测 广东工业人学工学硕士学位论文 量中的主要误差。因此，利用可靠的时钟同步算法，计算出2 个时钟之间的误差， 从而得到真实的测量结果是研究基于i n t e m e t 的远程控制系统的时延问题的前 提。 时延的获得目前主要有两种方法，一是在i p 协议层通过i c m p 时间戳请求 来获得毫秒级的网络时延，由p i n g 命令实现。该方法的缺点是它基于i p 同层协议 实现，不受网络拥塞控制，并不能真实反映t c p 包的传递时间。二是通过t c p 包携带发送时间戳，利用接受时间和发送时间的差来获取网络时延，但前提是主 从端时间同步。 在实际的测量过程中，时钟偏移可以采用网络时间协议( n e t w o r kt i m e p r o t o c o l ，n t p ) 进行同步设置。n t p 协议是将客户端或服务器端的时间同步到另 一个服务器或参考时钟源的i n t e m e t 标准协议，它的目的是在无序的i n t e m e t 环 境中传递统一、标准的时间。 c 2t l s e r v e r 。f 1 i e n t r 目 图2 5n t p 时钟同步原理 f i g 2 5n t pt i m es y n c h r o n i