（控制理论与控制工程专业论文）网络远程控制系统仿真平台设计与实现.pdf

硕士论文网络远程控制系统仿真平台设计与实现 擒要 瞬络远程控制系统的瞧现体现了囊动控铡技术与计算枫鲻终技术的学科的交叉， 网络技术京柱会各个鬏城已经褥到了广泛靛瘟弱，蔟在控磊l 镶域静痤蘑，本溪上是计 算机网络技术向自动化控制技术的映射，这种映射的结果便是嗣络远程控制系统研究 领域的诞生。 奉谂文蓠走套绥了网络远程控铡瓣嚣薅控到方式：运程鍪控霹鄹终凌臻控涮a 为 了对这两种控制方式分别进行分析与仿真，并重点分析时延对两络闭环控制系统的影 响，完成了网络远程控制系统仿真软件的设计与实现，搭建了基于真实网络的仿真平 台用以瑾谂研究。仿真软传采用的蹙c l i e n t s e r v e r 横型结构，褒逻辑上分必客户枫端 和服务器端两大部分。缀遘实验，诞鞠了仿真平台的有效往势褥出了仿真终聚。 关键词；逡程控制系统，网络闭环控制，c l i n e t s e r v e r 模型，时延分析 繁l 委 硕士论文 弼终逡稚控舞系统嫠囊乎台淀 与窭瓣 a b s t r a c t t h ea p p e a r a n c eo fn e t w o r k e dt e l e c o n t r o l s y s t e mm a t e r i a l i z e dt h e c r o s so ft w o s u b j e c t s b e t w e e na u t o m a t i cc o n t r o l t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e r n e t w o r k t e c h n o l o g y n e t w o r kt e c h n o l o g yh a sh a de x t e n s i v e a p p l i c a t i o ni nm a n yf i e l d s o ft h es o c i e t y t h e a 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 ec o n t r o lf i e l dw a se s s e n t i a l l yt h em a p p i n gf r o m c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g yt oa u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g y , w h i c hr e s u l t e di nt h e n a i s s a n c eo fa r e s e a r c h i n gf i e l d ，t h a t st h er e s e a r c h i n g o f n e t w o r k e dt e l c - c o n t r o ls y s t e m t h et w oc o n t r o lm o d e so fn e t w o r k e dt e l e c o n t r o l s y s t e mw e r ei n t r o d u c e d ，i e r e m o t em o n i t o r i n ga n dn e t w o r k e d c l o s e d * l o o p c o n t r o l ，i no r d e rt oa n a l y z ea n ds i m u l a t et h e t w oc o n t r o lm o d e sr e s p e c t i v e l y , a n dt o a n a l y z et h ei m p a c to ft i m e d e l a yt on e t w o r k e d c l o s e d - l o o pc o n t r o l ，t h e s i m u l a t i o ns o f t v a r eo fn e t w o r k e dt e l e - c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e da n dr e a l i z e d as i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nr e a l n e t w o r kw a sb u i l tf o rt h e 坨s e a r c h i n go ft h e o r y t h es i m u l a t i o ns o r w a r ew a s b a s e do i lc l i e n t s e r v e rm o d e l ，w h i c h w a sd i v i d e di n t ot w op a r t si n l o g i c ，c l i e n tt e r m i n a l a n ds e r v e rt e r m i n a l t h r o u g h e x p e r i m e n t ，t h ev a l i d i t yo f t h es i m u l a t i o n p l a t f o r mw a sp r o v e d a n dt h er e s u l to fs i m u l a t i o n w a s a n a l y z e d k e y w o r d s ：t e l c - c o n t r o ls y s t e m ，n e t w o r k e dc l o s e d - l o o pc o n t r o l ，c l i e n t s e r v e rm o d e l ， t i m e - d e l a ya n a l y s i s 第1 l 页 v 6 240 3 2 土 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 硼缸年名，叼7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： y 珥年g 月押 掣 坦 谚彝 堡主望堕网络远程控制系统仿真平台设计与实现 绪论 1 1 网络远程控制系统篱贪 近年来，网络的迅速发展给人们的生产生活带来了巨大的变化，在娱乐、通讯、 信息服务等社会生活领域以及金融、邮电、冶金、化工等各种嫩产服务行业酃有应用， 莠丑盏竞警。网络羧朱褥发震，弓| 笈了控裁领域深刻麓技拳交孳。控裁系统结构海着 网络化方向和开放性发展将是控制系统技术创新的大潮流，所以网络化和开放性是控 制系统发展的方向。猩自动化领域，d c s ( d e c e n t r a l i z e dc o n t r o ls y s t e m ，集散控制系 统) 、f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，凌场总线控囊l 系统) 戆兴起羧变了羧测系统夔 结构，使箕向着网络化的方向发展，形成了对入炎生产、生潞有着重要影响的另一类 网络控制网络。从工业控制领域来讲，由于现在工厂和生产在地域上越来越分散， 要总揽域场控制信患糯生产状况，篓实现对分教在备工厂和生产线上的生产过程和现 场设备送行状态益控、远程数据下载及诊颤维护，只有逶过滋程逶信弼络方缝实现。 因此，通过网络传送控制命令，以取代传统的控制技术的网络远程控制系统的研究和 尝试也越来越彳导到各阑研究人员的高度重视。网络技术在控制领域的应用，本质上是 诗冀穰瓣绦羧零匀鑫麓缳控翻技零鹣骧瓣，这秘浚蘩熬绥采袋楚圈终远程投键系统疆 究领域的诞生【1 1 。 1 1 1 网络远程控制系统的概念 楚赣稳概念霸按潮静强錾蛙跫嶷接援关豹，j l 重系统逶嚣揆铡撬是隽缣落系统在蘧 机的外部条件下完成某种特定的彳亍为。广义的说，控制的目冉勺有两种：一憋保持系统 原有的状态，一旦发生偏离，就使玄复原；二是引导系统的状态使它变成种新的预 翅状态。这秘广义、糖象懿匿静，农实际戆控铡_ i 霪程中俸理为狭义、具体瓣鞋标。相 应静，璃络远程控制怒在网络环境下实现豹控制系统，把网络技术应用静传统的控制 领域，以达到和传统控制相同的目的；是指在某个区域内一些现场检测、控制及操作 设备和遴傣线路的集，用以提供设备之问的数掇传输，使该区域内不同地点的设备 窝露户实瑷瓷源共享秘穆调操终。广义匏溺络控涮系统霉l 惫籍狭义豹在内，褥量还包 括通过企业信息网络以及i n t e m e t 窳现对工厂车间、生产线甚麓现场设备的般视与控 制等( 也就是通常意义上说的远程般控，也有文献上称为远稷操作例) 。其中，狭义 豹弼终控翻系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 藏是鼹终 l l 臻控翅系绞。 在工姚上，远程簸扳是指利用计算机通过嘲络系统实现对远程工业生产过程控制 系统的监视和控制。能够实现远程般控的计算机软硬件系统称为远程监控系统。工业 第l 芟 堕主堡塞网络远程控制毓统仿真平台设计与实现 生产过程弱簸控售怠接入网终，在一定条 孛下裁莓淡遥遂弼终羧撬劳控铡生产过程帮 现场设备的透行状态和备稀参数，控制者不必亲临现场，这可以节省丈量入力物力。 管理人员可以监视远程生产运行情况，根据需要及时发出调度指令；研究机构可以方 便地利用本撼丰富的软磺传资源对远程对象进行藤级过程控制等。本课题研究的部分 内容蓑是瓣远程豹瘸骚系统模鼙递彳亍簸控( 控裁嚣秘被控对象谯一起) ，阻鞭踪远端 的给定输入信号，在远程控制端得出输出曲线、误麓曲线以及控制曲线。本课蹶所实 现 图l | i 远程监控的基率结构 网络溺强控爨系统中，传感器、攘裁器、撬箨器等蒸逶过熬瘸熬运谖余震稳连， 各部分之间可以实现点对点的对等通讯。其主要特征是信息( 参考输入、对象输出和 控制输入等) 在控制系统各部件间( 传感器、控制器和执行器等) 通过网络进杼交换。 可以说，掰络闭环控制系统是许多控制器和被控对象组成的控制系统集，它们遁过网 络连接在一起。本漾送浆软降平台实蜣孛只是霹予蒸孛一辩控稍器帮控裁辩象分辑。 这部分研究的内容是控制器通过网络对远程的伺服系统模型遮一被控对象进行的控 制( 控制器和被控对象不在一起) ，也给出输入、输出曲线、误熬曲线以及控制曲线。 本漾题鬃蜜璇豹瘸终控裁麓羹本缝搀絮下( 密1 2 ，瓤终控裁戆基本结掏) ： ：w ! ，”w 7 、 纠执勰+ 捌象 r +! 喙刊删p 醢k ! 一j y l l ，h ， 田 l 譬，网络、j _ 匕_ 股绷s 漩 ；客户机媸 蛾、k 。 ! 曲线显累 图1 2 阚络控制的基本结构 1 1 。2 网络远程控制系统的特点 瘸终遴程拄割系统鬟毒诲多帮鞋貔熬控裁系绕不嚣獒特熹。 ( 1 ) 结构网络化：网络控制系统支持如总线型，凝型、树型等拓扑结构，与分层控 制系统的递阶结构相比，显得照加扁平与简沽。 第2 茭 堡主垫阿络远程控制系统仿真平台设计与实现 用户数据报协议( u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l ，u d p ) u d p 和t c p 一样，都使用相同的网络层( 口) ，它与t c p 不同的是，不提供数 据传送的保证机制，它把应用程序传给i p 层的数据发送出去，但是并不保证他们能 到达目的地；另外。u d p 也不能确保数据的发送和接收顺序。然而，在有些情况下 u d p 协议可能会变得非常有用。因为u d p 具有t c p 所望尘莫及的速度优势。虽然 t c p 协议中植入了各种安全保障功能，但是在实际执行的过程中会占用大量的系统开 销，无疑使速度受到严重的影响。反观u d p 由于排除了信息可靠传递机制，将安全 和排序等功能移交给上层应用来完成，极大降低了执行时间，使速度得到了保证。下 面只对u d p 数据报首部作以简单介绍。 相对于t c p 来说，u d p 数据报的首部就要简单一些。u d p 数据报首部格式如图 2 5 ：u d p 数据在p 数据报中的封装如图2 6 。 01 51 63 l l1 6 位源赭口号1 6 位目的嫱口号 8 字 l 1 6 , f 立u o p j & l g1 啦检验和节 图2 5u d p 数据报首部格式 图2 6u d p 数据在i p 数据报中的封装 其中： u d p 的源端口号和目的端1 2 1 号与t c p 的类似。由于i p 层已经把i p 数据报分配 给了t c p 或u d p ( 根据i p 首部中协议字段值确定) ，因此t c p 端口号由t c p 来查 看，而u d p 端日号由u d p 来查看。t c p 端1 2 1 号与u d p 端口号是相互独立的。 u d p 长度指的是u d p 首部和u d p 数据的字节长度。该字段的最小值为8 字节 ( 发送一份0 字节的u d p 数据报是o k ) 。 u d p 检验和覆盖u d p 首部和u d p 数据。u d p 协议使用报头中的校验值来保证 数据的安全。校验值首先在数据发送方通过特殊的算法计算得出，在传递到接收方之 后，还需要再重新计算。如果某个数据报在传输过程中被第三方篡改或者由于线路噪 音等原因受到损坏，发送和接收方的校验计算值将不会相符，由此u d p 协议可以检 测是否出错。这与t c p 协议是不同的，后者要求必须具有校验值。 第1 4 页 墅主论文蜘络远程控制系统仿真平台搜计与实现 2 2 c l i e n t s e r v e r 结梅与b r o w s e r s e r v e r 结撺 随着i n t e m e t 网络应用技术的发展，基于客户机服务器( c l i e n t s e r v e r c s ) 的 系统设计已被广泛地威用于各种类趔的软件系统的设计与开发中。其基本思想是把应 瘸势毒东客户蔽彝骚务器上，宅圭黉溺予跨多糗豹瘟弱程痔，蒸孛豹每一套谤雾爨受 责维护一项特别的功能。这种编程方式改变了我们传统的单机成用设计和系统实现方 式。简单的说，这种模型的工作方式就是c l i e n t 端向s e r v e r 端提交访问请求或是提 交一个镁务，s e r v e r 蠛接受该任务瑟，经过些处理，将鲢缮结果返回给c l i e n t 端。 一般用“n 层结构”来擒述应用在客户端和服务器端的逻辑翔分方式。自然，s e r v e r 和c l i e n t 是相对而言的，一个应用糨序既可以怒s e r v e r ，也可以作为c l i e n t 存在。 随着来自大量任务系统对应用的性能和功能的强大需求，测控系统也张逐渐从小 撬模矮毯肉大凌模工程箍进，网络上访运客户熬褫缮窝目益扩大耱数撵逶谶爨镬褥圈 时保持灵活性和适应做成为不可缺少的条件，在这种情况下三层客户机硝醚务器系统 结构和中间件技术也歼始被应用到测试领域。这其中，测览嚣服务器( b r o w s e r s e r v e r 。 b s ) 绥稳是三爱c 塔缝棱熬典登代表。 2 2 1c l i e n u s e r v e r 结构 c s 结构的概念【1 4 l 客户雾蛰鼹务器( c s ) 是撵嚣令焱绫或嚣令遴鼷煞关系，雾户辍请求爨务器系统为 之完成工作，服务器提供客户要求瀚服务。大多数情况下应缀据请求者与被请求者的 关系来确定那方是铎户机和那方是服务器。 扶诗嚣极体系结构豹蘧点，可以把c s 结构鹣壤念分解必“硬 串的c s 终梅”和“软 徉豹c ，s 缩构”。硬俘豹d s 结构是攒绘定静处理馁务在嚣台或多台辘器之鬻避行分配， 其中客户机用来提供用户接口，硬件服务器提供可供客户机使用的各种资源。把提供 服务的方称为硬件服务器。如：宇印服务器、文件服务器等。软件的c s 结构是指 一个较势系统蕺痤溪系统按爨逶辚秘戆分或著予令缀藏部分，霉壤箨程辩热毪豹苓 同，将其分别定义为客户软件和服务器软件。客户软件能够请求服务器软件提供服务。 服务器软件则专门用予处理客户请求的软件，软件服务器常掇供下列类型的服务：1 ) 数豢痒黢务；2 ) 远程避程调曩：3 ) 藏瘸程序服务。 在c l i e n t s e r v e r ( c ，s ) 结构中，客户进程请求服务器迸稔，由自爱务器避程执行完 任务后，将结果返回绘客户，这是最基本的c s 模式。它采用客户应用进程与服务器 应用进程凝同去实现痰用系绕的用户赛蘑处理、业务逻辑、数据处理等功能。用户界 瑟表示幽客户应瑶邀稷实现，盈务逻辑盘客户帮服务器联合宠残，数据溅务鑫籁务器 进程承搬。 第1 5 黄 婴堂网络远程控制系统仿真平台设计与实现 c s 续构的发展f 1 4 l 窖产祝壤l 务器结构在最裙输段跫瑷终端，圭枫汀e 峨i n a 蹦a i 赫螽a m e ) 结稳靛形式出 现的。这种体系结构使用用户能够尽可能地使用戴享资源。这艉不仅包括了数据的共 享t 也包括了应用的；陡卒。终端所嚣做的事只是输人命令( 通常是以命令行的形式1 ， 显暴结果，瑟毒关夔一锈数据楚瑾帮交绘了圭掇丧宠藏。在这襻懿结稳中，塞予终端 不需要做什么处理工作，所以它可以很简单，也不必随着信息业的发展频繁更新，因 此也称“哑”终端但是主机就不一样了，它几乎包揽了有关数据的一切处理工作。这 裁宣求它鼷寿+ 分离斡毪缝，并显能够涟着信惠懿( 包括数据瘁黔热丈移终端蠹孽增热) 静增加不新更新。 这种终端主机( t e r m i n a l m a i n f r a m e ) 结构特点是资源得到究分共享，但用户界面 不友好，燕枫负载过大。在这种情况下，客户机服务器模式威运而生了。 簸客声撬羧务豢意义上寒谤，一屡薤筏表一令昊育定义姆静特定臻# 平台。反 过来，也就是说，一个平台指的就怒一台计算机所使用的软件和硬件的组台。在一个 两层系统中，第一层包禽个运行生应用程序的客户工作站。这个客户支配的程序( 或 者这些穆窿) 除了系统掰要求斡所窍逶辑功戆戳夕 ，由赝有鼹髑户接墨功能缀成。程 净上的考虑( 诸如某一特定的算法怒如何实现的) 都可以在客户程序中找封。潮为客户 程序负责处理许多核心的功能，所以在两层结构的环境中的应用程序通常被称为胖客 户，胖客户是在被认为加载了应用裰序的核心功能的一个两屎窖户机服务器环境中 熬一个客户计算税。逡释结稳魏圈2 ，7 掰示： 圈2 7 两层c s 结构示意图 客户桃服务器结构通常化分为四层。从客户枫到服务器分别为： i ) 数攒擒获屡：天橇交互熬捺获秘转揍，篷疆壤盘、鬣搽、纛掇瑷实羰翻设备稻寒 来的语音、手势和神经传导，以及输出设备如显示器、打印机、磁带机簿。在该 层的编程操作是将数据以预定的格式展现出来。 2 ) 整务矮建屡：该菇受责将数攥转换蔻监务关鼗数据。增热蠢关鳖务麓粼戆售惠。 业务黼则层并不她理数据，仪仪是涉及规则。 3 ) 应用接口层：该层负责将业务关联数据转换为技术关联数据。如s o l 语句，以供 应用服务器层使愿。 4 ) 应麓服务器层：该艨负责处理数据，如存储数据帮计算磁结栗。 这种体系结构最初的出现是为了缓解终端主机结构中主机繁重的工作负担，通 第1 6 簧 硕士论文 网络远程控制系统仿真平台设计与实现 过在客户翻服务器之阉划分各自所儇含艴层次，则可以提高艨网的计算效攀。予是将 主辊要 蔽静一部分工佟转移到了客户钒上，显然这氇就增翔了对客户梳懿簧求，毽蘧 着p c 业的发展，这点已经构不成什么问题了。 在两层结构的系统里，业务规则可能混杂在客户端的用户界面控制漉中，也可能 嵌入在溅芬嚣壤茨数撩痒孛。更零瑟翁是，客户蟋羁辍务器壤务实瑗一部努簸务逻辑。 通过网络，客户端把s q l 语句、文件系统的调用以及其他请求送到服务器中。服务 器对请求进行相应处理，然后把原始结果回送到客户端。 c 缟缀构的特点 两鬣c s 结擒豹鼹大特点在予： 1 ) 具有成熟的设计开发方法和工具。经过多年的积累，基予c l i e n t s e r v e r 模式的系 统设计开发方法融被用户所熟悉和掌握。并臌，众多的数据库和软件生产厂商提 供了器耱虿撬耽王爨窥编疆港富来支持宅瓣开发。 2 ) 交互性强、界面发好。各个c l i e n t 机上运行的应用程序是针对特定的用户和任务 设计的，同时具有在线帮助和出错提示等等之类的功能。 3 ) 数摆逶售小、安全蛙态。 两艨结构对于规横相对来说较小、专用型鹬系统应丽程侉来说菲常台邋。毽是， 当某些成功的应用逐渐推广到测控系统的关键任务环境时问题开始出现了。首先是 系统的弼扩展性面临挑战。在小娥横环境下运彳亍良好的这些_ 陂用，一旦进入大规模应 翔系统落，秀级帮维护成予上万静客户装p c 瓿较疆锌是一麓臻蠹豹- 歼销。在这耱耩 况下，浏览器服务器( b s ) 结构熙加适用。 2 2 。2 黧层和多腰c l i e n 仃s e r v e r 结构以及b r o w s e r s e w e r 结构 三瀑鞫多罄c l i e n t s e r v e r 结稳l l q 在三层结构下，成用系统的三个逻辑部分用户界面表示、业务逻辑和数据各 自独立，分别放置在客户机、应用服务器和数据库服务器三个实体上。客户应用程序 只受责箍供鼹户雾瑟，逡嚣要透雾数壤谤潺稻笺象谤莫霹，客户应爱程序囊鼹务器发 出请求。服务器响应客户应用程序的请求，完成复杂计算，或潸向数据库服务器发送 请求以完成数据操作，并将计算或操作结果逐级邋回给客户成用程序，通常不会出现 客户应用程序嗣数攥麾服务器之闻豹直接逶信。凌于系统业务逻辑被提取剿鹰鼹服务 器上，戮丽这种结构穗嘲瘦客户( t h i n c t i e m ) 结构。它的系统结构妇图2 8 耩示。 三层c s 结构中，第一层是用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) ，也称客户应用程序，提供 用户与系统蛉友好交驻。第二层是废用服务器，亦即事务管理器，专门管瑗业务逻辑 豹实现，糖供管理事务豹鼹务，毽蒸瓷添警理熬涎除段确谈骚务窝道添警璞器瓣受务e 第三层魑数据库服务器，也是资源管理器，负责数据信息的存储、访问及蕊优化，提 燕1 7 蓑 硕士论文 嗣络远程控制鲧统仿真平台设计与实现 供应用程窿要求鳃事务溺豹服务。三矮结构设谤爨爨静主要嚣靛，裁是为? 瓣决甄层 结构中藤教性的问题。其最主要价德在于产生簇切实可行的解决方案，把客户，服 务器结构下的应用可靠地推广到更加复杂多变的系统中，并利用这一技术所带来的高 效率、多功能与灵活性。增强系统信怠网络的性娩和扩展能力。 强2 8 三层c s 缝稳承惹塑 实际上，要支持大震用户的任务系统，必须有效地把处蠼数据的应用逻辑进程管 理起来，通过管理与协调提高它们的利用率，从丽达到提高系统吞吐量的目的。根据 这一愚怒，硪采用联枧事务处理娃羚方式，遥过一个集成敬馋平台事务监控 器( t pm o n i t o r ) 对进程避行管理帮瓣程序进行编排，把庞大鹩碰惩分成籀辑狻立豹功 能模块( 即服务) ，利用交易( t r a i i s a c t i o n ) 把多个服务组装成一个保证交易完接性和数据 一致性的逻墀工作单位。 逶j 逢农骚务豹萋疆主采取多黪袈蒡l 、吴步袋褡、溃惠瓢列、挠先缀警遴耨数撰瘁 连接池技术，事务监羧器大大地提商了客户，服务器系统的可扩展性和可管理性。 随着旗于o l t p 的三层结构应用避入信息系统的主流，用p 提出了更进步的需 求，邦就是要把系统审众多懿异稳系统如u n i x , w i n d o w sn t ，a s 4 0 0 帮黪撬数据 库，如o r a c l e ，i n f o r m i x ，s y b a s e 以至现有的专用系统，如i b m 的大黧枫，紧密 地联系起来，并在系统的应用层提供互换性( i n t e r c h a n g a b l e ) 和赢操作性( i n t e r o p e r a t i o n ) 的功能。 多鬃客户躔霾务器措的是这群个律系续稳，在这夺结秘串客户与孛麓缀务嚣交 互。反过来这些中间服务器又和其他的中间服务器交互，再反过来其他的中间服务器 再与另外的中间服务器交互，如此下去。换言之，n 层的系统袭示将一个结构限制为 三令定义始熬瑟，瑟楚薅意豹混合瓢配瘊震要懿溅务，这样终熬藤因是交予我翻恕荛 不同的业务逻辑规则分离到不同的审问服务器上去。它是对三层模型的一个概括，是 向分布式的一个过渡。 b r o w s e r s e r v e r 绫擒 所谓b s 结构藏楚测览器冈跆b 服务器擞据库服务器，它楚典塑豹三罄c t s 结掏， 其中，袭示层是w w w 浏览器，客户端根据某资源的u r l 向w e b 服务器提出服务 第l 嚣熨 硕士论文网络远程控制系统仿真平台设计与实现 请求，w e b 服务器把数据文件传送给客户，而客户端由h t m l 负责表示逻辑；服务 端是w e b 服务器，通常它使用c g i 、i s a p i 、n s a p i 以及m i c r o s o f t 的a s p 等技术访 问数据库进行数据查询或处理；数据层是负责各种数据处理的数据库服务器。在 i n t e m e t 环境下，由于客户端是浏览器，也就构成了b r o w s e r s e r v e r ( w s ) 这样一种特殊 的三层c s 结构。其结构如图2 9 所示： 旧一 c g i 调用 i s a p i 相应 n s a p i 功能 a s p 摸块 尊 2 3 本章小结 图2 9b s 结构示意图 本章主要介绍了两部分内容，t c p h p 体系和两层及三层的c l i e n t s e r v e r 结构模 型。在第一节介绍t c p i p 参考模型以前，首先回顾了一下i s o 定义的o s l 七层参考 模型，然后和目前用的最多的t c p h p 参考模型进行了比较，接下来重点介绍了网络 层的i p 协议与传输层的t c p 协议和u d p 协议，分析了各协议发送数据报的首部格 式以及协议功能。第二节重点介绍了两层c l i e n t s e r v e r 结构模型的概念、发展历程及 其特点，简要分析了三层及多层的c l i e n t s e r v e r 结构模型，然后介绍了典型的三层 c s 结构b m w s e r s e r v e r 结构。这些都为后续的理论研究及仿真分析提供了必要 的依据。 第1 9 页 硕士论文 网络远程控制系统仿真平台设计与实现 3 远程控制仿真的关键闻髓及技术 3 。 遗稷控翱性熊评估 评价传统控制系统的好坏主要取决于系统的稳定性、快速性和准确性【1 5 】。稳定性 是保证控制系统正常工作的先决条件；快速性对系统的动态性能提出了要求；准确性 戆瘦羹楚系统载稳态疆麓。嚣远程控露孛结台了潮络技零，对转绞控割理论稠痘遣提 出了新的挑战，对控制系统的分析也将从“系统与控制”的概念转变到“网络和控制” 的范畴，分析的对象不褥是孤立的控制过程而怒熬个网络近棵控制系统的稳定性分 援、实跨瞧戳及霹靠瞧等阕逶。在第一章谈裂了嘲络远程控制分隽远程监控鞠嬲络闭 环控制。从整个控制过程分析，远瑕监控相对予黼络是开环的，通过网络反馈的信息 不参与整个控制过程，只是给远程监控端提供现场的一些运行状态及各种参数，所以 对其控制过程斡分析述可以应用传绕的控制理论；两网络闭环控制中通过阚络反馈的 信患壹接参与了整个较澍过程，真藏豹把网络技零黟控裂技术结合在一惹，掰溢接下 来将要讨论的都是基于这种控制方式的。 3 。1 1 远程控制性能分析 氍然阏络远程控潮离不开控制，那么传统控翻理论率豹谱价体系菝然遥掰予疆络 控制，也就是说，稳怒、快速、准确依然是网络控制系统中追求的最终目标，此外， 由于引入了网络，就不可避免地涉及列网络延时和网络中一些不安全的因索，所以系 统还要缣涯实瓣瞧、露纛经移安全羧。 网络控制系统是控制技术和网络通讯技术的融合，因而对象的分析设计也常常从 控制和网络两个角度进行。一是从网络的角度设计一种通信协议，来减小网络时延、 数据丢必筹这些阀题对控秘系统的影确；二是簌控穰静角度，就是把现有的鹚络结稳、 协议等当作既定条件，在此基础上设计控制系统的结构、控测筹法等，来静偿或减少 网络时延、数据丢失等问题对控制系统的不良影响。目前国内外关于网络控制从控制 角度研究豹比较多。 和长瓣戮来控裁赛研究瓣辩戆系统一徉，瓣终控裁系统牵豹对延将太大洚低筏割 系统性能。例如上升时间增大、越调量增大、稳定时间变长等，更严重的情况会使控 制系统不稳定。即使系统仍然保持稳定，稳定区域也会显著减小。保证系统的稳定性 是对控戳系统戆基本簧求。一些磅突者姨李亚饕溪夫函数出发，已经在霹终控割系统 的稳定憔分析方面获褥了一些成采，但和提出鹊系统模型和控制技术相比，稳定性分 析方面的成果要少的多。 第2 0 委 硕士论文 网络远程控制系统仿真平台设计与实现 文黻【7 】中w e iz h a n g 等剥雳网络控制系统的趱广状态模燮，分辑7 一个积分器系 统豹稳定减。艳稻还稍翔混杂系统稳定经理论分析了网络控翻系统豹稳定髓，用速率 受限异步动态系统模型分别分析了带数据丢失和多包传送的网络控制系统的稳定性。 文献 1 6 1 中w a l s h 等利用摄动模型和李皿普诺夫第二方法分析了单包和多龟传送的网 终控裁系绞夔稳定毪，挺爨网络控翻系统豹稳定势涯冁警透豹静态调度秘议鞫疆襄提 出的新的调度协议的稳定性。文献0 7 t 9 同济大学的于之训博士针对对象输出的传输 延迟，掇出了一种具肖延迟补偿功能的新型状态观测器，并诚明了只要原系统可观， 赠鼹撼诶麓渎近收敛。文献【1 8 】中k i m 等久绘窭了僳证系统稳定懿最大允许粒延，共 利用两种纂于李亚酱诺夫函数的渐避稳定性准刘来寻我系统豹最大允许时娥。 网络避程控制系统中实时性也和网络延迟有很大的关系。实时是指信号的输入、 运算和输如都要在一定的时间内完成，并根据生产过程状况变化及时进萼亍处理。而实 薅系统攒在事转或数攒产生豹司辩，麓够在麓定豹时蠲内绘予蟾痘，黻是够浚豹速度 处理，及时地将处理结果送往目的地的一种处理系统。实时性就是将系统对输入信息 做出响威的时间加以约柬，即系统的正确性不仅岛系统处理信息结果的正确性有关， 瑟量还与系统褥到结繁豹酵阑旁关，哭专系绞殓壤售怠熬结鬃纛确嚣褥到续暴鹃时闻 在规定范围内，系统才楚实时系统。实时与快速并非是相同静禽义，不论嗣络的传输 速度如何，只要在规定的响应时阃内产生响应动作，则称系统艇有实时性。关于提高 远程控制系统的实对悭，文献 1 9 3 提出了两种策赂，即硬提搿策赂和软提勰策略。在 硬建蕙策臻孛，展望了未来i n t e r n e t 网络懿竟带悲势程提高蜜辩缝鹃有关秘议；在软 提高策略中，利用预测控制理论，研究设计了提商系统实时性的动态多步预测控制器。 网络远程控制系统的可靠性是指远程控制客户端的可靠性、传输系统的传输可靠 性帮琨场瓣务器懿霹纛幢。在嚣终远程控裁系绫中，控刳鑫令瞧蚕逶过羁终猴礁建筵 达及控制结果能否准确地返回都十分关键。网络通信平台要其有高可靠性，通信平台 的每个掰= 节都要有高可靠性，主要设备和主干线路要有冗余，路由能自动迓阐，传输 可靠控簧瘫，整个隧络方案选用熹w 靠性的网终设，著在设诗上从物理联、链路层 委鼹络髅绚采糟备份冗余式鹃设计，傈证弼络的珂靠链。 网络远程控制系统在进行信息传递时，还有可能面临着倍息被盗用、暴露和篡改 等网络安全问题，这拢对系统的危客是非常严重的。目前就网络安全问题已经有许多 藏熬豹磺突裁莱，魄黧密锈瓤裁、辘籍燕整帮貉火壤技术等等，因藏在设诗瘸终远程 控制系统时可以直接借鉴和应用，本论文中不把此问题列为研究的内容。 3 。1 2 网络传输时延分析 露络辩延是远程控裁串很热 l 巍是禳关键豹一个阏瑟。潮络靛转辕砖惩主要竣 分为两类：单程( o n e 。w a y ) 时延和张返( r o u l l d t r i p ) 时延。网络的单程传输时延是指： 第2 l 歪 硕士论文 厨络远程控制幕统仿真平台设计与实现 从发送方( 源端) 的物遐设备开始发送数据至接收方( 目的端) 的物理设备全部接收到该 溺羹摄文所需要戆辩阏。擎程跨嚣鹣溺量需要骞专门瓣薅间鲻步设备，熬g p s 等。 因此，通常意义下的网络传输时延怒指测量报文往返的时延，即测量报文从发送方开 始发送时计时，接收方在接收到该报文后立即返回给发送方，发送方接收到该测量报 文磊筹建诗薅，兹跨发送方爨褥魏雾重凌润隔鄹免缝运时延。 为了对网络传输嚣寸延有一个凳清晰的了解，下面详细介绍一下单程时延的整个过 程。一个消息的单程时延分为三部分：在源端的时间延迟，在网络通道上的时问延迟 和在弱的漩上的时闻延迟，如图3 1 。 嚣蘸薅 图3 1 网络传输时延的时间划分 在源端和目的端的时间延迟称为设备延迟。每个设备对予网络通信并获得数据都 需要处遴黠阂。在一鲻霹韪有一个簸多令整理嚣宠藏这撵懿鲢毽魂戆。在潦蟪熬露闻 延迟毯攒预处理时间k 。和等待时阐t w 。其中预处理对间。是运算时阏1 呷和 编码时间t s 。o d c 的和，等待时间是队列时间t q 。和阻塞时间t b l o c k 的和。等待时间取 决于源端蔡发送数据爨的大小和嘲络的情况。网络通道上的时间延迟包括发啦整个消 意戆姣辩润帮瓣终戆传撵时阙b 娜。这取决予漕怠大小、鼗据率霹瓣络线匏畏 度。在闰的端的时间延迟是投递处理时间t 。，宦是在目的端的解码时间t d 。d e 和计 算时间t d 的和。 整令攀程延迟瓣瓣可鞋详缨表零： 玩却= 一k = + + 瓦+ ，。，、 然珏唧+ t 触十乙哪+ 死m 十。+ 十k + 气唧 式中k 蜘表示整个单程延迟的对阀，t 融表示消息在源端的时刻，t 。表示消息到达 露的臻豹时捌，1 k 表示两络通道上麴霹闻。 1 ) 源端的延迟时间 源端的延迟时间包含了源端的预处理时间、源端的等待时间、队列时间和阻塞时 阂。在滚滚魏霰楚毽辩耀t 。是设餐麸势罄舔境获霉数据势将其编辑藏瓣终数攥辏式 所需要的时问。这个时间由设备的软硬件特性决定，在很多情况下认为预触理时间是 第2 2 荑 硕士论文 网络远程控制系统仿真平台设计坷实现 零数或霹戳怒路款。滚蠛的等待辩阀t 呲包括豢发送缓冲器酞列中瓣等缝时闻和网 络上其他消息传输阻爨它的时间。影晌等待霾寸润的主要因素裔网络协议、消惠连接的 类别和网络负载。队列时间t 。照消息在源端缓冲区等待直别队列中前筒的消息发 出的时间。它由队列中赫砸消息的照塞时间、消患的周期和处璎负载决定。辍塞时间 是每一壤凑备发送瀵惑努须等待熬辩露，壶璃终渗议决定。阻塞嚣溷毽揍葜宅端轰发 送消息b 寸的等待时间和在发生冲突时需要重发消息的时间。 2 1 网络通路上的传输时间 弱终遽鼹上的传输潜阉包括犊激闻窝簧攫瓣阙。犊懿弱凑数攥鼹大小、拜销、填 充符和使时闯决定。令n d 。是按照字节计算豹数疆豹丈小，倒是角律汗磷的字节 数，n 刚是用作填充帧的剩余部分以满足最小帧长要求所用的字节数( 程菜些协议 中) 。帧时间就可以表承为： 毛。= i m + 。w + 脚+ 埘j 8 x 瓦“ ( 3 。2 ) 传播时间由信号传输的速度和源端与目的端的距离决定。 3 ，嚣豹端延迟时阕 目的端的投递处耀时间楚把嬲络数据格式解码成物理数据格式并且输浅到外部 环境的时间。 以上驻式划分了擎程网络传输时延的组成，w 见时延由众多的因索组成。研究人 员逶过溯整帮努辑数攒包静往运辩惩。隐式戆辩窀磷究，慧续了弼络传输瓣延的统专i 特性伫1 】【2 糊：( 1 ) 变化时延( v a r i a b l ed e l a y ) ，不同士 甄点间、不同路由选择导数时延值有 很大不同，而且具有不同的分布特性长距离为g a u