（控制理论与控制工程专业论文）基于internet的远程控制的基础研究.pdf

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于i n t e r n e t 远程控制系统的基础研究 摘要 延伸控制距离是远程控制的主要目标。基于i n t e r n e t 的远程控制系统的 前向通道和反馈通道均是由i n t e r n e t 构成，在理论上该系统可以打破控制信 息的传递、交换和比较时在时间和空间上的限制，可以使远程控制实现在任 何时间、任何地点，对连接在网上的任何设备进行控制和操作，实现真正意 义上的远程控制。基于i n t e r n e t 的远程自动控制理论及技术的研究是自动控 制理论和控制技术今后个重要的发展方向，该理论研究融合控制理论和网 络技术、为一交叉学科研究。研究基于i n t e r n e t 的远程控制对完善远程控 制，扩大远程控制的应用范围都有着重要的实用意义。本论文的研究内容涉 及以下几个方面： 1 基于i n t e r n e t 的网络延时分布状况及产生的原因。主要对网络延时 状况及其产生的原因进行了分析，阐述了由于网络延时的存在对远程接收端 数据报接收的影响。 2 基于i n t e r n e t 的远程控制系统延时补偿器的设计。分析了控制系统 前项通道和反馈通道接入i n t e r n e t 后网络传输延时对整个控制系统的稳定性 和控制品质的影响，并依据补偿原理设计了补偿器。 3 采用神经网络对网络延时进行预测。补偿器中网络延时预测误差是 导致系统不稳定的主要原因，采用r b f 神经网络对延时进行预测，该方法 提高了延时预测精度，改善了系统的整体性能。 4 针对网络延时造成的采样信息的多样性，提出了相应的采样信息处 理策略。 关键词远程控制；i n t e r n e t ：网络延时；补偿器；神经网络预测 堕堑堡堡三奎兰三兰竺圭兰堡篁兰 t h er e s e a r c ho ft e i e c o n t r o lb a s e do n i n t e r n e t a b s t r a c t t h em a i n t a r g e t o ft e l e c o n t r o li st oe x t e n dc o n t r o ld i s t a n c e t h e f o r w a r d i n gc o n t r o lc h a n n e la n df e e d b a c kc h a n n e lo ft e l e c o n t r o ls y s t e mb a s e do n i n t e r n e ta r ec o m p o s e do fi n t e r n e t ，a n dt h e o r e t i c a l l yt h i ss y s t e mc a nb r e a kt h e r e s t r i c t i o no fc o n t r o li n f o r m a t i o ni nt h et i m ea n ds p a c ew h e nt ob ed e l i v e r e d e x c h a n g e da n dc o m p a r e d s ot e l e c o n t r o lm a yi m p l e m e n tt oc o n t r o la n do p e r a t e a n ye q u i p m e n tw h i c hi sc o n n e c t e do nt h en e ta ta n yt i m e ，a n ys p o t ，r e a l i z et h e r e a lt e l e c o n t r 0 1 t h er e s e a r c ho fr e m o t ea u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r ya n dt e c h n o l o g y b a s e do ni n t e r n e ti sa ni m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dt h i sr e s e a r c hi n t e g r a t e st h ec o n t r o lt h e o r y a n dn e t w o r kt e c h n o l o g y ，a n di sac r o s s i n gs u b j e c ts t u d y r e s e a r c ho nt e l e c o n t r o l b a s e do ni n t e r n e th a st h ei m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n gi nt h ea s p e c t so fp e r f e c t i n g t e l e c o n t r o la n de n l a r g i n gi t s a p p l i c a t i o n t h er e s e a r c hc o n t e n t so ft h i st h e s i s i n v o l v ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 e l a b o r a t i n gd i s t r i b u t i o nc o n d i t i o na n dc r e a t i o no fi n t e r n e t i n d u c e d t i m ed e l a y sb a s e do ni n t e r n e t t h i sp a r ta n a l y z e st h ec o n d i t i o na n dc r e a t i o no f i n t e r n e t i n d u c e dt i m ed e l a y s ，a n de l a b o r a t e st h ei n f l u e n c eo fi n t e r n e t i n d u c e d t i m ed e l a y su p o nt h ed a t a g r a mr e c e i v i n go fl o n g - d i s t a n c er e c e i v e r 2 e l a b o r a t i n gt h ed e s i g no ft e l e c o n t r o ls y s t e m t i m e d e l a y c o m p e n s a t o r b a s e do ni n t e r n e t t h i sp a r ta n a l y z e st h ei n f l u e n c eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t i m ed e l a y su p o nt h es t a b i l i t ya n dt h ec o n t r o lq u a l i t yo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m a f t e rt h ef o r w a r d i n gc o n t r o lc h a n n e la n df e e d b a c kc h a n n e lo ft e l e c o n t r o ls y s t e m c o n n e c tt h ei n t e r n e t ，a n dd e s i g n s c o m p e n s a t o ra c c o r d i n g t oc o m p e n s a t i o n e l e m e n t s 3 p r o g r e s s i n gi n t e r n e t - i n d u c e dt i m ed e l a y sp r e d i c a t i o na d o p t i n gt h en e u r a l n e t w o r k i nt h ec o m p e n s a t o rp r e d i c a t i o ne r r o r so fi n t e r n e t i n d u c e dt i m ed e l a y s a r et h em a i nc a u s et oi n d u c et h e s y s t e mi n s t a b i l i t y a d o p t i n g r b fn e u r a l i i 堕尘堡堡三奎兰三兰堡圭兰竺兰兰 n e t w o r kt o p r o g r e s s i n t e m e t i n d u c e dt i m ed e l a y sp r e d i c a t i o ne n h a n c e s p r e d i c a t i o na c c u r a c y ，a n di m p r o v e st h ew h o l ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m 4 a i m i n ga tt h ed i v e r s i t yo fs a m p l e di n f o r m a t i o nb e c a u s eo fi n t e r n e t i n d u c e dt i m ed e l a y s ，w ep u tf o r w a r dt h ec o r r e s p o n d i n gs a m p l e di n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gs t r a t e g y k e y w o r d st e l e c o n t r o l ；i n t e r n e t ：i n t e r n e t i n d u c e dt i m ed e l a y s ；c o m p e n s a t o r n e u r a ln e t w o r kf o r e c a s t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于i n t e m e t 的远程控制的基 础研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：齑1 桂i 良日期：加6 年乡月占日 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于i n t e m e t 的远程控制的基础研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查n * n 借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：言1 和7 舂 导师签名孛l 钕 日期：如6 年月6 日 日期：湖6 年；月6 日 竺竺鎏堡查兰三兰堡圭兰堡丝兰 1 1 远程控制的发展概况 第1 章绪论 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1 1 所示。远程控制在控制环境上会给人们带来众多便利和好处，一直备受 被控对象的反馈信息 图l 一1 远程控制原理图 f i g i 一1t e l e c o n t r o ls c h e m a t i cd i a g r a m 关注。但由于信息传送和处理技术的限制，所谓的远程也只是实现了将控制装 置和被控对象在有限的空间距离内进行分离，而且这种分离也只是在固定的控 制器和被控对象之间进行，即便是这样，对一些危险环境状态下的被控对象的 控制和操作也会带来很大的便利和经济效益。随着计算机技术、网络技术和通 讯技术的高速发展，及多媒体信息在世界范围内的高速自由传送，使研究人员 愈加注重适用于工业控制的远程控制技术。 早期的远程控制系统中采用计算机总线来实现控制器和被控对象之间的数 据交换。例如1 9 5 9 年美国孟山都化学公司合成氨转化炉控制系统、我国 1 9 8 3 年镇江金溪水厂加氯机的远程自动控制系统【2 】、北京钢铁设计总院于 1 9 9 4 年构筑的钢厂步进式加热炉自动控制系统口】等都采用了计算机总线方式。 尽管采用计算机总线技术可以保证传输速度达1 3 3 m b s 【4 j ，但其最大传输距离 仅有1 0 0 米，而且控制器和被控对象之间是通过固定通信线路来进行一对一控 制的。 采用异步串行通信技术则进一步增大了通信的距离。在采用r s 一4 4 9 标准 时，在1 0 k b s 传输速度下，其最大传输距离为2 4 0 米”j 。此类系统中较为典型 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 的是太原钢铁公司自动化所于1 9 9 5 年设计的连轧机控制系统1 6j 、吉林炭素总 厂于1 9 9 6 年设计的焙烧炉温度自动控制系统1 7 1 、英国钢铁公司开发的带川崎 顶吹氧枪的循环脱气装置f 8 j f 州等。从本质上讲，异步串行通信技术只是计算机 总线技术的扩展。 上世纪6 0 年代，为了实现对外太空中机械臂的远程控制，采用了微波通 讯技术的远程操作技术，其传输距离可达3 6 万k m ，通讯速度为4 5 m b s 1 1 ， 虽然控制距离显著增加，但陔技术所采用的通讯线路是专用的，不具备扩充 性，而且微波通讯设备昂贵，难以进行普及和推广。 上世纪8 0 年代末9 0 年代初发展起来的现场总线是一种先进的工业控制技 术，它将网络通信的观念引入了工业控制领域。它最大的特点是一台控制器可 以简单地实现对多台被控对象进行控制。现场总线技术的兴起，改变了控制系 统的结构，使其向着网络化的方向发展，形成了对人类生产、生活有着重要影 响的另一类网络控制网络。现场总线技术适应了控制系统向智能化、网络 化、分散化的发展趋势，因而迅速发展成为控制领域的热点技术。从本质上 况，它是一种数字通信协议，是连接智能化现场设备和自动化系统的数字式、 全分散、双向传输、多分支结构的通信网络，是控制技术、仪表工业技术和计 算机网络技术三者的结合，代表了工业控制体系结构的一种方向。现场总线出 现以后，网络化、集成化、智能化便成为工业控制系统发展的一种必然趋势。 但从通信协议上来看，现场总线通信协议虽然参照i s o o s i 开放系统互联参考 模型精简化建立的，但现场总线控制系统依然不能成为一种开放的、可互操作 的、网络化的控制系统，其通用性受到了一定的限制。现场总线模型在进行数 据传输时需特定的模块、设备等，这就在很大程度上降低了网络的互联性。因 此基于以上各种通讯方式进行的远程控制，虽然在一定程度上拓展了远程控制 的距离，但还是在有限的空间距离内进行。 随着基于t c p i p 协议的以太网技术的成熟，使得融入了网络技术的远程 控制不仅可能进一步扩展远程控制的距离，而且可能大大改善远程控制的互联 性、透明性。典型的1 0 0 b a s e t 局域网，其通讯距离可达2 8 k i n ，通讯速度 可达1 0 0 m b s i “】，而光纤分布式数据互联f d d 作用距离可达2 0 0 k m ，通讯速 度可达1 0 0 m b s 。1 9 9 9 年，云南天文台结合太阳射电组的具体情况( 1 0 米口 径抛物面天线和观测室直线距离约为2 0 0 米) ，利用计算机局域网搭建了射电 望远镜远程控制操作系统等等。 从上世纪8 0 年代末开始，源于美国的i n t e r n e t 飞速发展，目前以成为全球 规模最大、应用最广泛的的计算机网络，基本覆盖了世界各地。因此，i n t e m e t 哈尔滨理工火学丁学硕： ：学位论文 可以使信息控制的距离也能延伸到世界各地。2 0 0 0 年，日本富士通研究所实现 了1 0 0 0 0 公里的t b i t ( 1 t b i t = 1 0 2 4 m b i t ) 级别的高速光通讯。日本高知工业大 学和n e c 电气工业等单位组成的科研组实现了将每秒钟1 1 t b i t 的信息传送了 3 0 0 0 公里，为一超高速长距离光通讯技术。3 0 0 0 公里的t b i t 级别的高速光通 讯的实现，已经可以覆盖8 0 的世界间的通讯。因此，i n t e r n e t 的出现和发 展，打破了信息在进行传递和交换时在时间和空间距离上的限制。i n t e r n e t 的 开放、互联的特性就为实现真正意义上的远程控制提供了必要的技术平台 1 3 1 1 4 。 1 2 基于i n t e r n e t 的远程控制发展现状及研究意义 1 2 1 基于i n t e r n e t 的远程控制发展现状 由于i n t e r n e t 在信息传递上的各种优势，基于i n t e r n e t 的远程控制研究已 成为热点课题，也取得了一定的成果。由于i n t e m e t 信息传送注重信息量和准 确性，这适合远程操作信息传送的要求，所以这些成果主要集中在远程操作的 范围内。 按人是否参与控制过程的判断和决策，可将控制过程分为操作控制过程和 自动控制过程两大类。在操作控制过程中，由人进行调节前的判断、分析和决 策。而在自动控制过程中这种判断、分析和决策是由人预先设计好的机器自动 完成，这就是操作控制和自动控制的最大区别。这就使得操作控制和自动控制 过程中调节所依赖得信息的形式、收集、传送及其比较方式都有很大的区别。 在操作控制过程中，人可以按自己的经验和知识进行十分复杂的调节，这是依 赖机器的自动控制无法比拟的。但人对信息的判断决策受到生理条件和生理反 应的限制。例如，人对声音、图象、文字等多媒体信息的感知和反映都非常迅 速准确，但对温度、压力等很多物理量的感知则十分有限，而对速度、加速度 等运动量数值的判断就更无能为力，所以对被控对象相关物理量的调节就需要 依赖于自动控制。 在操作控制过程中，如果判断决策的人与执行机构和被控对象在地理位置 上分离，这就是远程操作控制即所谓的遥操作。基于i n t e r n e t 的远程操作，是 人通过i n t e m e t 将决策信息传送给操作机构，进而控制被控对象的动作，同时 传感器测得被控对象的状态信息并将其转换为人能接受的信息，在经i n t e r n e t 传送给人，用于比较、判断和决策，如图1 2 所示。 哈尔滨理工大学工学颁：卜学位论文 图1 2 基于i n t e m e t 的远程操作控制原理图 f i g 1 2t e l e o p e r a t i o nb a s e do ni n t e m e ts c h e m a t i cd i a g r a m 由此可见，在基于i n t e r n 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。这恰好与i n t e m e t 注重 传递信息的准确性和传送的信息量而非信息传送的实时性相吻合。因此，目前 基于i n t e m e t 的远程控制研究主要集中在远程操作领域，通过i n t e r a c t 对远程端 的特定设备( 如机器人) 进行遥操作。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5 1 。陔系统可使访问者通过i n t e r n e t 对该实验室内的六 自由度机器人进行遥操作。用户通过登录该网站获取系统分配的控制权限后， 就可以通过i n t e m e 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象记录下来，经图象处理服务器给用户返回一幅静态的 并经过压缩处理的图象。用户通过观察图象中的机器人的位置变化来决定下一 步的操作程序。通过不断更新的图象，用户可以一步步完成对机器人的远程操 作。此外，美国的伯克利大学研制的t e l e g a r d e n ，用户可通过i n t e m e t 操作种 植花草的工业机器人t e l e g a r d e n ，同时可保证多个用户进入一个实际的花园 里，完成播种、浇水等活动，还可以在花园内交谈i l “。美国c a r n e g i em e l l o n 大学研制的移动机器人x a v i e r 系统则可以使用户通过i n t e m e t 操作机器人在楼 层内的各房间进行简单的传送文件、敲门等动作，结合配备的声纳系统还可以 进行说话和交流7 j 等诸多的远程操作系统【l “1 。 在自动控制过程中，没有人直接参与，控制器通过一系列的传感器获得被 控对象的状态信息，参照给定的目标值，依据控制策略生成控制信息，然后自 动将控制信息作用在被控对象上以达到控制的目的。如果将完成比较、判断和 决策的控制器与被控对象在地理位置上分离，就成为远程自动控制。图1 3 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 所示为基于i n t e r n e t 的远程自动控制原理图。基于i n t e r n e t 的远程自动控制系统 的前向通道和反馈通道均由i n t e m e t 构成。系统中的本地计算机通过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 r n 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。在自动控制过程中检测、比较的信息量都比较 小，但变化过程快，对这些量的控制和检测都有实时性的要求。可见，在基于 i n t e r n e t 的远程自动控制中，在i n t e r n e t 上传送的运动信息量不大，但却对信息 传送的实时性要求很高。例如，在个基于i n t e m e t 的远程位置控制系统中， 在采样周期为l o m s 时，作为反馈信息的机械运动位置信号的大小可以用4 个 字节来描述，每秒钟需要采样1 0 0 个位置信息，并且要求实时传送，这就对系 一本地l -i n t e r n e t 卜j 远端l| 被控l l 控制器l l i 控制器1i 对象l i n t e r n e ti 查地m 篮ji 噩赫童t 盟j 图1 3 基于i n t e r n e t 的远程自动控制原理图 f i g 1 3r e m o t ea u t o m a t i cc o n t r o lb a s e do ni n t e m e ts c h e m a t i cd i a g r a m 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，窄带网络造成的信息传输延时及其不确定变化，都对传统的 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。日本学者柳田康幸认为目 前还没有解决这一问题的具体方法，需要等待新版本的i n t e m e t 协议的出台 ”3 1 。所以，国内外基于i n t e r n 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1 3 4 4 2 1 。 1 2 2 基于i n t e r n e t 的远程控制的研究意义 伴随着互联网技术的发展，信息互联已经更深层次地渗透到社会各个领 域，也为产业生产的全球化提供了平台。信息共享和远程处理、生产的分散和 哈尔滨理工大学二 学硕：l 学位论文 全球化是经济发展的必然趋势，一个以信息互联为主要技术特征的新型控制理 论和应用技术的研究和发展正是适应这一时代科技和经济发展的需要。基于 i n t e m e t 的远程自动控制理论及技术的研究是自动控制理论和控制技术今后一 个重要的发展方向，该理论研究融合控制理论和网络技术、为一交叉学科研 究。研究基于i n t e m e t 的远程控制对完善远程控制，扩大远程控制的应用范围 都有着重要的实用意义。 1 3 本课题的主要研究内容 1 基于i n t e r n e t 的远程控制系统中网络延时的分布特性及其产生的原因。 在基于i n t e m e t 的远程控制系统的研究中，首先研究i n t e m e t 网络延时的分布特 性。网络延时是不断变化的，而且其变化具有不确定性，无法用已有的规律来 描述。采用t c p i p 协议通信时，由于“三次握手”及“尽最大努力”的存 在，数据报的延时在网络固有特性的基础上，还叠加了其特有的规律。它主要 取决于数据所经过的跳数及在每一跳上所花费的时间，而网络延时的不确定性 则主要与网络负载有关。 2 控制系统前向通道和反馈通道接入i n t e m e t 后网络传输延时对整个控制 系统的稳定性和控制品质的影响。基于i n t e m e t 的远程控制系统与传统的控制 系统不同，系统的控制信息和反馈信息都存在信息传输延时。前向通道的信息 延时将造成系统的响应滞后；反馈通道的信息延时将导致误差信息不能及时更 新，使被控对象处于瞬间失控状态，因此忽略任何一个通道的延时都会引起系 统的不稳定。采用针对前向通道和反馈通道的网络延时分别设计补偿器的方 法，来保证系统的整体性能，补偿系统的相位滞后，消除不稳定极点，解决两 个通道的延时对远程控制系统造成的影响。 3 研究网络延时的不确定性对系统的影响，提出相应的控制策略。采用 补偿器结构可以较好的解决基于i n t e m e t 的远程控制中前向通道和反馈通道同 时存在的网络延时问题，但补偿器中的延时应为网络延时的实际值。由于网络 延时本身的不确定性，补偿器中的网络延时应能够随着网络延时的变化而变 化。因此，为了使补偿器结构能够很好的适应网络延时的变化情况，提出采用 神经网络对网络延时进行预测，以保证补偿器中所使用的网络延时接近其实际 值，确保系统的稳定性和动态性能。 4 针对系统的远程接收端出现的多采样和空采样，提出相应的处理方 法。由于i n t e m e t 经常处于拥塞状态，导致远程接收端数据报接收是的多采样 堕尘堡矍查兰三兰竺圭兰堡篁兰 和空采样。路由器间歇性地出现拥塞，又使得多采样总是伴随空采样的发生。 对于空采样，为了维持系统的连续运动，采用上一时刻的采样信息值作为当前 的采样信息；对于多采样，则依据信息中含有的发送时间戳，使用发送时间最 新的信息。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章远程控制中网络延时特性分析 在远程控制系统中，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，因此，i n t e m e t 的信息传送特性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 r n e t 的信息传送特性相关。 2 1t c p i p 协议 t c p i p 是i n t e r n e t 的通信中事实上的国际标准，基于t c p i p 体系结构进 行信息通信的原理图如图2 一l 所示，这是一种典型的分组交换系统。 在基于i n t e r n e t 的远程控制系统中，需要对远程机械的运动量进行实时控 制，此时就不能采用多媒体的方式传递机械运动信息。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。例如在一个基于i n t e m e t 的远 程位置控制系统中，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。 本地主机中问路由 应用层 传输层 t c p 、u d p 刚络层l p 网络接口层 州络层i p 嘲络接口层 中问路由n远程主机 网络层l p 网络接口层 应用层 传输层 t c p 、i j d p 网络层i p 网络接口层 嘲蝴蝴 图2 1 基于t c p i p 体系结构通信的原理图 f i g2 - - 1c o m m u n i c a t i o nb a s e do 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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 信息传递时除对实时性的要求外，还希望在i n t e m e t 上得到端到端( 即从 进程到进程) 的可靠通信服务。由图2 一l 可知，用户往往在应用层进行信息 处理，然后借助于传输层、网络层、网络接口层进行通信。传输层向高层用户 屏蔽了通信的细节，高层只需根据通信需要选择合适的协议。在t c p i p 体系 的传输层有两种不同的协议：用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 和传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 。使用u d p 协议通信时，是 不可靠的无连接服务，数据接收是无序的；而基于t c p 协议通信时，可靠的 连接服务保证了数据的发送和接收是有序的。通过对u d p 和t c p 两种协议的 比较，加上机械运动的信息量比较小，在保证信息传输的实时性要求的前提 下，还应提高信息传递的可靠性，因此选择t c p 协议作为基于i n t e r n e t 的远程 控制系统的通信协议。 2 2 延时及其不确定性产生的原因分析 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。有网络通信原理，可以将基于t c p i p 协议 的网络延时丁表示为： 丁= t + 0 + 0 + l 其中：f 一本地主机数据处理延时。当应用程序向协议软件传递数据信元 时，协议软件将应用层值网络层逐层对数据进行封装处理，然 后发送。 一物理线路上信号传输延时。数据在物理线路上以接近光速的速度 传输，这一延时与整体延时相比不在一个数量级上，因此通信 节点之间的地理距离并不是决定延时大小的主要因素。 r 中间路由器的数据处理延时。路由器要将收到的数据流解释至网 络层以选择下一跳的目的地址。选择过程中多个中间路由器数 据处理延时和y r ，是网络延时的主要组成部分。 乃远程主机数据处理延时。远程主机需要对接受到的数据报进行解 释并对其进行校验和重新排序等，再送到应用层的程序进行处 理。 以上各部分就构成了t c p i p 网络的延时，其中中间路由器数据处理延时 和罗t 是网络延时的主要组成部分，由于网络负载的变化多发生在中间路由 器上，延时变动的主要因素是中间路由器数据处理延时和 r ，。因此，网络 喻尔滨理工火学工学颂士学位论文 延时及其不确定性主要决定于数据所经过的跳数及在每一跳所花费的时间【4 “。 i n t e m e t 是采用动态路由机制来传输数据业务的，但这种动态路由并不是 随机路由，只有在网络情况发生严重变化时( 如，路由失效、严重拥塞) ，路 由路径才会改变。有研究表明，通信双方和多方在会话期间路由很少改变，大 部分的数据流是沿同条物理路径传输的。事实上，虽然在较长的时间范围 内，路由会改变，但大部分i n t e r n e t 内的路由不会有大的改变，这被称为路由 持久性| 4 ”。由于路由持久性的存在动态路由机制并不会使信息传递路由跳数不 断产生变化。所以，动态路由机制不是产生延时不确定性的根本原因。负载的 不确定变化才是产生延时不确定性的主要原因。 综上所述，网络延时的分布状况主要取决于数据所经过的跳数及在每一跳 上所花费的时间，延时的不确定性则主要与网络上所经过的负载有关，动态路 由机制对其并无直接影响。 2 3 网络延时的分布状况分析 i n t e m e t 的设计初衷是为了资源共享，注重信息传递的准确性和传递的信 息量，而非信息传递的实时性，因此并不能保证远程控制系统中运动信息的实 时传递。实验表明，在信息的传递过程中将产生较大的延时和一定的延时不确 定性”1 。 图2 2 所示是用编制的程序软件在校园网环境下每1 0 毫秒发送一个t c p 数据报所测得的网络回路延时状况分布图，测试的两个计算机节点分别位于不 同的网段。从图中可以看出，在一段时间内，由于网络状况比较稳定，校园网 内的网络延时分布在0 1 o 5 s 这个时间带内，但延时是不确定变化的。为了 进一步说明问题，将图2 2 ( a ) 中的一段延时放大，并且按照发送时间和接 受时间绘图，如图2 2 ( b ) 所示，从众可以看出接收方在接收时刻1 0 - 1 4 s 之间，没有接受到测试数据报，而在1 4 1s 则同时接收到了发送方在发送时刻 1 o 1 1 l s 发送的测试数据报。其他时刻也存在类似这样的没有接受到数据报和 同时接收到多个数据报的现象，并且这两种数据接收状况是交替发生的。 图2 3 是在教育网的环境下网络延时状况分布图。从图中可以看出，在 一段时间内，由于网络状况比较稳定，校园网内的网络延时分布在一个时间带 0 o 2 s 内，但延时是不确定变化的。为了进一步说明问题，将图2 3 ( a ) 中 的一段延时放大，并且按照发送时间和接受时间绘图，如图2 3 ( b ) 所示， 竺尘鎏矍三查兰三兰堡兰兰堡篁兰 测 试 数 据 延 时 测 试 数 据 接 收 时 间 t ， s 测试数姑发送时间，。s i a l 测试数据发送时问，s f b l 图2 2 校园网内的网络延时状况 从中可以看出接收方在接收时刻6 0 5 6 1 ls 之间，没有接受到测试数据报，而 在6 1 2 s 则同时接收到了发送方在发送时刻6 0 5 6 1 l s 发送的测试数据报。其 他时刻也存在类似这样的没有接受到数据报和同时接收到多个数据报的现象， 并且这两种数据接收状况是交替发生的。尤其是在当网络突然拥塞时，例如 堕尘鎏塞三查兰三兰堡圭兰竺兰兰 5 3 5 7 s 时，这种现象尤为明显。 测 试 数 据 延 时 测 试 数 据 接 收 时 间 f ， | s 测试数据发送时间f 。s 测试数据发送时间，s 图2 - - 3 教育网内的网络延时状况 图2 4 是在i m e m e t 环境下的网络延时状况分布图。从图中可以看出，在一 段时间内，由于网络状况比较稳定，i n t e m e t 的网络延时总体上分布在一个时间 带o 4 1 2 s 内，但延时是不确定变化的。为了进一步说明问题，将图2 4 ( a ) 中 竺竺堡兰三查兰三兰堡圭兰堡兰圣 测 试 数 据 延 时 0 f s 测 试 数 据 接 收 时 间 测试数据发送时间，j ( a ) 测试数据发送时间r ，j ( b ) 幽2 4 北京到东京之间的i n t e r n e t 网络延时状况 f i g 2 - - 4i n t e r n e t - i n d u c e dt i m ed e l a y sc o n d i t i o nb e t w e e nb e i j i n ga n dt o k y o 的一段延时放大，并且按照发送时间和接受时间绘图，如图2 4 ( b ) 所示， 从中可以看出接收方在接收时刻5 0 5 9 0 s 之间，没有接受到测试数据报，而在 5 9 1 s l j n 时接收到了发送方在发送时n 5 0 5 5 s 发送的测试数据报。其他时刻 也存在类似这样的没有接受到数据报和同时接收到多个数据报的现象，并且这 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 两种数据接收状况是交替发生的。由于i n t e m e t 中负载波动更加显著，其网络延 时的不确定变化更加明显，因此上述交替发生的现象更加频繁。 由此可见，基于t c p 协议通信时，信息在网络环境下进行传递时存在三 种状态：单采样、空采样和多采样。单采样是指远程接收计算机在每个接收时 刻只接收到一个本地发送计算机发送的信息。空采样是指远程接收计算机在接 收时刻没有接收到任何本地发送计算机发送的信息。多采样是指远程接收计算 机在一个接收时刻接收到了多个本地发送计算机发送的信息。需要说明的是， “本地发送计算机”和“远程接收计算机”是相对的，是针对某一个信息传递 路径而言的。在一个基于i n t e r n e t 的远程控制系统中，对于前向通道中的控制 信息而言，发送控制信息的计算机就是本地发送计算机，接收控制信息的计算 机就是远程接收计算机。对于反馈通道中的反馈信息而言，发送反馈信息的计 算机就是本地发送计算机，接收反馈信息的是远程接收计算机。 图2 5 表示了使用t c p 协议通信时，信息的发送和接收序列。从图中可 以看出，本地发送计算机在k 和k + l 时刻发送的信息1 和2 都在一个周期内就 到达了远程接收计算机，远程接收计算机分别在k + l 和k + 2 时刻读取信息，此 时发生单采样。本地发送计算机在k + 2 时刻发送的信息3 没有在一个周期内 本地计算机的 信息发送序列 远程计算机的 信息接收序列 图2 5 使用t c p 协议通信时信息发送和接收序列示意图 f i g ，2 5s e n d i n ga n dr e c e i v i n gs e q u e n c ed i a g r a mo f t h ei n f o r m a t i o nu s i n g t c p p r o t o c o lc o m m u n i c a t i o n 到达远程接收计算机，导致远程接收计算机在k + 3 永l k + 4 时刻没有接受到任何信 息，此时发生了空采样。远程接收计算机在k + 5 时刻同时接收到了本地计算机 在k + 2 和k + 3 时刻发送的信息3 和信息4 ，此时发生了多采样。 远程控制系统的信息单采样分布和常规控制系统的信息分布是一致的，而 空采样和多采样则是基于网络的远程控制系统特有的采样信息分布状况。造成 堕查鎏些三查兰三兰堡兰兰些兰三 空采样和多采样的主要原因是由于网络的拥塞。拥塞就是信息在网络中传输是 的一种堆积状况，通常当数据到达一个大的管道( 如一个快速局域网) 并向一 个较小的管道( 如一个较慢的广域网) 发送时便会发生拥塞。当多个输入流到 达一个路由器，而路由器的输出流小于这些输入流的总和时也会发生拥塞。 图2 6 所示为一个典型的大管道向小管道发送报文的情况。大多数的主 机都连接在局域网上，并通过一个路由器与速率相对较低的广域网相连。 发 送 方 接 收 方 图2 6 从较大管道向较小管道发送分组引起的拥塞 f i g2 6c o n g e s t i o no f s e n d i n gg r o u p i n gf r o mt h eb i g g e rp i p et ot h es m a l l e rp i p e 图中，路由器兄是拥塞发生的地方，称为瓶颈。数据报在左侧高速的局域 网中传递时延时很小，基本上属于单采样的情况。当数据报由左侧高速局域网 进入右侧速率较低的广域网时，由于网络负载大，数据报被转发时，延时增 大。当路由器r ，将所接收到的分组发送到右侧的局域网时，尽管局域网具有更 高的带宽，但数据报之间维持与其左侧广域网上同样的延时间隔。由于广域网 的负载动态的变化，从而造成了多采样和空采样的状况。 综上所述，基于t c p 进行通信时，数据报传输的网络延时分布特性： 1 i n t e m e t 网络延时是变化的，但存在一个延时变化的范围。该范围随 网络状况的变化而变化。 2 i n t e m e t 经常处于拥塞状态，造成数据报接收时的空采样和多采样，由 于路由器间歇性地出现j 井j 塞，多采样总是伴随空采样发生。网络拥塞情况越严 重，网络延时就越大，就越易出现空采样和多采样。 2 4 本章小结 基于t c p f l p 协议的网络中存在网络延时，且网络延时是不确定变化的。 堕堡童矍三查兰三兰堡尘兰堡堡兰 产生网络延时的主要原因是网络负载的不断变化，与动态路由选择机制没有直 接关系。 i n t e m e t 网络延时存在着一个变化范围，该范围随网络的负载状况变化而 变化。负载越大，造成的网络拥塞状况越严重，网络延时越大。 i n t e m e t 经常处于拥塞状态，造成远程接收端在数据报接收时出现空采样 和多采样。而路由器间歇地出现拥塞，使多采样总是伴随空采样发生。 哈尔滨理工大学工学坝士学位论文 第3 章远程控制系统延时补偿器设计 在基于i n t e r n e t 的远程控制系统中，由于系统的控制信息和被控对象的反 馈信息都要在i n t e r n e t 上进行传送，i n t e r n e t 的信息传送特性将左右远程控制系 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