（电力电子与电力传动专业论文）以太网在网络控制系统中的应用研究.pdf

西华大学硕士学位论文 供电、网络安全等问题给出了一些初步解决方法。 2 、针对以太网在网络控制系统中传输时延的不确定性闯题，论文在总结前 人研究成果的基础上提出了一种基于模型预测控制算法的时延补偿控制方案， 并在m a t l a b 环境下进行了仿真，仿真结果表明了该方案的可行性。 3 、根据现场设备的要求，利用3 2 位的a r m 嵌入式微处理器设计了具有以 太网通信接口的硬件平台，同时还提供数据采集、控制输出、c a n 总线通信等 功能。然后在该平台上移植了嵌入式实时操作系统i z c o s - l l , 并实现了嵌入式 t c p i p 协议栈，成功构建了嵌入式w e b 服务器。另外，为了整个实验平台的需 要，还设计了两个基于单片机的c a n 通信节点。这些节点不仅提供c 4 通信 接口，同时还具备数据采集、人机交互( 包括l c d 显示、键盘输入) 、步进电 机控制等功能。 论文共分为六章：第一章介绍了课题的研究意义、研究现状以及论文的主 要工作；第二章对工业以太网技术进行了分析研究，针对实时性等主要问题提 出了一些改善和解决措施；第三章针对以太网时延的不确定性提出了一种基于 模型预测控制算法的时延补偿控制方案；第四章详细介绍了网络控制系统平台 硬件的设计以及关键功能模块驱动程序的实现；第五章介绍了网络控制系统平 台应用软件的设计与实现；第六章对全文进行了总结，并对后续研究工作进行 了展望。 关键词：以太网，网络控制系统，模型预测控制，嵌入式技术，w e b 服务器 i i 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fe t h e r n e ti n n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m p o w e re l e c t r o n i ca n dp o w e rd r i v e c a n d i d a t e ：c h e ny a n y u n s u p e r v i s o r ：w a n gj u n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lt e c h n o l o g y , p r o f o u n dr e v o l u t i o nh a sh a p p e n e dt ot h et r a d i t i o n a lc o n t r 0 1s y s t e m t h ee o n t r o l s y s t e m h a s g r a d u a l l y f o r m e dan e t w o r k e da n do p e ns t r u c t u r e n e t w o r k i n g , d i s t r i b u t i n ga n dn o d e - i n t e l l i g e n t i z i n ga r eg o i n gt ob et h en e wd e v e l o p m e n td i r e c t i o n i nt h em e a nt i m e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm a n a g e m e n ta n dc o n t r o li n t e g r a t i o n t e c h n o l o g y , i ti su r g e n tt oe s t a b l i s hau n i f i e da n do p e nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , a n d i n t e g r a t et h ei n f o r m a t i o nn e t w o r kw i t ht h ec o n t r o ln e t w o r k i nt h i sw a y , i ti se a s yt o c a r r yo u t c e n t r a l i z e dm a n a g e m e n t , h i g h - l a y e rs u p e r v i s i o na n de n t e r p r i s ea u t o m a t i o n a l t h o u g hf i e l db u s e sh a v ep r o v i d e dag o o ds o l u t i o nf o rt h en e t w o r k i n go ft h e e q u i p m e n tl a y e r , i ti sd i f f i c u l tf o rt h e mt oi n t e g r a t et h em a n a g e m e n tl a y e rw i t ht h e f i e l dc o n t r o ll a y e rs e a m l e s s l y s op e o p l et u mt oe t h e m e t - w h i c hi su s e dw i d e i yi n h i g h - l a y e r so f t h ee n t e r p r i s e s ，a n dw a n t t oe x t e n di ti n t ot h ef i e l de q u i p m e n t l a y e f h o w e v e r , t h ep r o t o c o lc s 删c d ( c a r r i e rs e n s em u l t 蜒 l ea c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) u s e di nt h e l a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) l a y e ro fe t h e m e t , m a k e st h et r a n s m i s s i o nd e l a yo fe t h e m e tu n c e r t a i n , w h i c hb e c o m e st h em a i n o b s t a c l ef o ra d o p t i n ge t h e m e ti nt h ef i e l de q u i p m e n tl a y e r e x c e p tf o r t h e u n c e r t a i n t y , t h e r ea r es t i l lm a n yp r o b l e m sn e e dt ob er e s o l v e db e f o r ea p p l y i n g e t h e m e tt ot h ef i e l de n v i r o n m e n t , s u c h 豁p a c k e tl o s s e s s t a b i l i t yo f s y s t e m , n e t w o r k s e c u r i t ya n d s 00 1 1 i nt h ep a p e r , t h em a i nr e s e a r c h e sa i m e da tt h ep r o b l e m so fe t h e m e tw h i c hi s u s e di nt h ef i e l de n v i r o n m e n ta r ed e s c r i b e d 勰f o l l o w s 1 t h ep a p e ra n a l y s e st h er e a l - t i m ea b i l i t yo f e t l l e r n e ta n df a c t o r st h a ta f f e c tt h e a b i l i t y i nt h em e a n t i m e ，s o m em e a b m l - e sa l ep u tf o r w a r dt oi m p r o v et h er e a l - t i m e a b i l i t yo fe t h e m e t b e s i d e s ，i tp r o v i d e ss o m ep r i m a r ym e t h o d st ob u sp o w e r e da n d 1 1 1 西华大学硕士学位论文 s e c u r i t yo f t h ei n d u s t r i a lc o n t r o ln e t w o r k 2 b a s e do nm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ，ac o m p e n s a t i o na l g o r i t h mi sp r e s e n t e d f o re t h e m e tc o n t r o ls y s t e m sw i t hu n c e r t a i nt r a n s m i s s i o nd e l a y t h ea l g o r i t h mi s s i m u l a t e du s i n gm a t l a bs o t t w a r ea n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o l s t r a t e g yi se f f e c t i v ea n df e a s i b l e 3 ac c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ff i e l de q u i p m e n t s ，t h ep a p e rd e s i g n sa h a r d w a r ep l a t f o r mf o re t h e m e tw i t ht h ep o w e r f u le m b e d d e dc p ua r m t h e p l a t f o r ms u p p l i e ss o m eo t h e rf u n c t i o n sa sw e l l ，s u c ha sf i e l dd a mc o l l e c t i o n , c o n t r o l o u t p u ta n dc o m m u n i c a t i o nw i t hc a nb u s t h e nt h ep a p e rt r a n s p l a n t st h er e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e mi t c o s - i it ot h ep l a t f o r m , r e a l i z e st h et c p i ps t a c ka n db u i l d s 缸 e m b e d d e dw 曲s e r v e r b e s i d e s i no r d e rt ob u i l daw h o l ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m , t h e p a p e ra l s od e s i g n st w oc a nb u sn o d e sw i t hm c ut h e yp r o v i d em a n yl i m c t i o m i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i o n , m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o ni n t e r f a c e s ，s t e p - m o t o rc o n t r o l a n ds 0 0 1 1 n ep a p e ri sd i v i d e di n t os i xp a r t s 1 1 1 ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n d , s i g n i f i c a n c ea n da c t u a l i t yo ft h er e s e a r c h t h es e c o n dp a r ta n a l y s e st h ei n d u s t r i a l c t h e m e tt e c h n o l o g ya n dp u t sf o r w a r ds o m em e a s u r e sf o ri m p o r t a n tp r o b l e m s n e t h 词p a r tp r e s e n t sac o m p e n s a t i o na l g o r i t h mb a s e do nm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o lf o r e t h e m e tc o n t r o l s y s t e m s w i t l au n c e r t a i nt r a n s m i s s i o nd e l a y n 圮f o r t hp a r t i n i r o d i l c , e $ t h ed e s i g ns c h e m eo ft h eh a r d w a r ef o rt h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m p l a t f o r ma n dt h er e a l i z a t i o no ft h ek e yd r i v e r s t h e 丘hp a r ti n t r o d u c e st h ed e s i g n a n dr e a l i z a t i o no f t h ea p p l i c a t i o ns o t t w a r ef o rt h en e t w o r k e de o n t r o ls y s t e mp l a t f o r m 1 1 l ef i n a l p a r tc o n c l u d e st h ew h o l ep a p e r , a n dp r e s e n t sp r o s p e c t sf o rt h ef u t u r e r e s e a r c h k e y w o r d s ：e t h e m e t , n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m , m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l , e m b e d d e d t e c h n o l o g y ，w e bs e r v e r i v 西华大学硕士学位论文 申明 本人申明所呈交的学术论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此申明。 作者签名：湍必云叼年 导师躲碍 。7 年 日 日 、，7 月 月 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 从控制系统的出现，就产生了控制信息交换与共享的问题。但是由于技术 上的限制，控制系统发展早期采用的是一种封闭的体系结构。随着电子技术、 计算机和网络通信技术的发展，以及控制和管理要求的不断提高，使得控制系 统正由封闭的集中式体系加速向开放的分布式体系发展。在这个过程中，控制 系统经历了集散控制系统、现场总线控制系统和网络控制系统等阶段i ”。 1 1 1 集散控制系统“纠 集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，简称d c s ) ，又称为分散型综合 控制系统( t o t a t d i s t r i b u t e dc o n t r o l s y s t e m s ) ，产生于上世纪7 0 年代中期，它开 始了真正的工业控制网络。其特点是集中管理、分散控制，即管理与控制相分 离。 集散控制系统针对早期控制系统单台计算机集中管理整个控制过程模式 中集中的弊端，把一个控制过程分解为多个子系统，由多台计算机协同完成。 每台计算机或处理或承担一部分功能，而由一台主机协调控制。其结构主要有 以下特点：具有现场级的控制单元( p l c ，m c u 等) ，现场级控制单元与现场设 备用电缆连接，采用标准4 2 0 m a 模拟信号传输；具有中央控制单元( c p u ) ， 中央控制单元与现场级控制单元之间采用r s - 2 3 2 4 8 5 等专用非开放协议通信。 集散控制系统具有了一定的网络化思想，它适应于当时的计算机和网络水 平。但随着控制技术的发展，也逐渐暴露出了它的不足。首先，集散系统仍然 是模拟数字混合系统，模拟信号的转换和传输使系统精度受到限制。其次，它 结构上遵循主从式的思想，没有完全突破集中控制思想的束缚，一旦主机故障， 系统可靠性就无法保障。更重要的是，集散控制系统采用非开放式专用网络， 各系统互不兼容，不利于提高系统组态的灵活性和可维护性。 西华大学硕士学位论文 1 1 2 现场总线控制系统【4 】圈 为了克服d c s 系统的缺点，进一步满足现场设备通讯的需要，现场总线 技术产生于上世纪8 0 年代。现场总线控制系统( f i e l dc o n t r o ls y s t e m ，简称f c s ) 是一种开放的分布式控制系统。它突破了集散控制系统中采用专用网络的缺 陷，把专用封闭协议变成标准开放协议。同时，将数字处理器置入传统测控仪 表，使之具有完全的数字计算和数字通信能力。它在结构上采用了全分布式方 案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统的可靠性和灵活性。因而，f c s 系统相比于d c s 系统具有很多优点：它是现场通信网络，设备之间可点对点、 点对多点或广播等多种方式通信，提高了现场设备的智能化和功能自治性；利 用统一组态与任务下载，使得如p i d 、数字滤波、补偿处理等简单控制任务可 动态下载到现场设备；它可减少传输线路与硬件设备数量，节省系统安装维护 的成本；它还增强了不同厂家设备的互操作和兼容性，遵循同一种总线协议的 不同厂家的产品可以兼容。 从目前情况看，现场总线系统的主要不足是各种协议没能统一，不同协议 的系统不易互连。而且，现场总线通讯协议与上层信息管理系统网络协议是不 兼容的，存在协议转换问题。这些都增加了管控一体化信息网络的实现难度。 1 1 3 网络控制系统呲7 删 随着信息技术和控制技术的发展，传统的控制系统发生了深刻的变革，逐 渐形成了网络化的分布式体系结构。网络化、分布化和节点智能化成为了控制 系统新的发展方向。网络控制系统正是在这一背景下产生的。 网络控制系统( n e t w o r k e d c o n t r o l s y s t e m ，简称n c s ) ，是指借助于通信网络 而构成环路的闭环反馈控制系统，即网络是系统的一部分，其传感器、控制器 和执行机构、传感器和传感器、执行机构和执行机构之间的信息传递都是通过 网络实现的。其基本结构如图1 1 所示。 西华大学硕士学位论文 f i g1 1b a s i cs t r u c t u r eo f n c s 图1 1 网络控制系统基本结构图 与其他的计算机控制系统( 如直接数字控制系- 绱d d c ，集散控制系统d c s ， 现场总线控制系统月c 研不同的是，n c s 中所有的传感器数据和控制数据都是通 过网络传输的，网络节点必须紧密协调工作来完成控制任务。而肋c 中计算机 是直接对过程进行控制的；d c s 中许多的实时性控制任务( 传感、计算、执行) 是在各自的模块中完成的，仅仅开关信号、监控信号、警报信号等这类信息是 通过网络来传输的。从网络结构上来说，啜和月并没有区别，都是总线网 络，多个节点共享信道传输实时或者非实时信息。但是从定义上看，i 镕侧重 于节点之闯实时或者非实时信息的传输和共享，而煳镕强调在串行实时总线上 建立闭环控制回路。从这一点上看，l 嚣对于网络的实时性要求更高，网络结 构也更加分散化 9 1 。 网络控制系统在部件散布于大范围区域的广域分布式系统( 如大型工业过 程控制系统) 、集中的小型局域系统( 如航天器、舰船以及新型高性能汽车等) 中都正在或者将要得到应用。在这样的控制系统中，检测、控制、协调和指令 等各种信号均可通过公用数据网络进行传输，而估计、控制和诊断等功能也可 以在不同的网络节点中分布执行。 n c s 这种网络化的控制模式具有易于实现信息资源共享、远程操作与控 制、远程诊断、安装与维护简便以及扩展灵活等诸多优点。另外，使用无线网 络技术还可以实现用大量广泛散布的廉价传感器与远距离的控制器、执行器构 成某些特殊用途的n c s ，这是传统点对点结构的控制系统所无法实现的f i o 。 但是m 巴鲐台控制系统带来各种优点的同时，也给系统和控制理论的研究带 来了新的挑战。例如，由于信道竞争、物理信号编码和通信协议处理等带来的 西华大学硕士学位论文 额外开销问题。而最主要的问题是在控制器、执行器和传感器之间引入通信网 络时引入了网络诱导时延】，如图1 2 所示。 r i g1 2t i m e - d e l a y m o d e lo f n c s 图1 2 n c s 的时延示意图 根据所采用的网络协议和设备的不同，这类时延可能是确定的、有界的或 随机的，它们在不同程度上降低了系统的控制性能，甚至造成系统的不稳定。 尤其当网络上存在多个控制回路时，网络时延会使各回路之间产生耦合，从而 使网络控制系统的分析和设计更加复杂【1 2 1 3 】。此外，还存在数据包丢失、网络 安全以及误码等问题。 目前对这类系统的讨论正形成一个新的研究热点。 1 2 课题的背景与研究意义 2 0 世纪9 0 年代以来，由于计算机技术、网络通信技术以及自动控制技术的 发展，促进了企业网络体系结构的一种扁平化发展趋势，即要求企业减少中间 层次，使上层管理与底层控制的信息直接联系。这种控制网络直接与信息网络 集成的企业网络结构一般包括信息管理层、调度控制层和现场设备层【l ”，如图 1 3 所示。现场设备层的主要功能包括现场设备的标准化、规范化、数字化以及 现场设备的接入与互连；调度控制层要提供一个功能强大的控制主干网，允许 各类现场总线与其互连，还可实现高层次调度与自动控制功能，如协调控制、 优化控制等；信息管理层的主要功能包括综合信息管理、计划和决策。 西华大学硕士学位论文 f i g1 3h i b e x a r e h y o f e n t e r p r i s e n e t w o r k 图1 3 企业网络层次结构图 随着管控一体化技术的发展，迫切要求建立统一开放的通讯协议和网络， 将企业管理层向下延伸至设备层，从而在企业内部从底层设备到高层信息系统 形成一个统一的无需数据转换的透明数据链路【1 5 1 。将控制网络融入企业信息网 络，可以实现集中管理、高层监控和企业的综合自动化。同时，为进一步连入 更大的网络系统，如i n t r a n e t ，w a n ，i n t e r n e t 等打下基础，以便实现真正意义 上的远程监控、远程诊断和远程维护。 要实现企业网络的无缝集成，目前的现场总线显然难以解决。而要实现这 一目标，主要就是实现在企业中上层网络广泛应用的以太网和底层控制网络的 连接，于是人们纷纷把目光转向了以太网，欲将其延伸至现场设备层。 和现场总线相比，以太网具有标准统一、应用广泛、成本低廉、通信速率 高、软硬件资源丰富等优点。以太网在工业现场设备层的应用已成为人们关注 的焦点，并把目前多种现场总线国际标准最后统一的希望寄托在其身上。 然而，由于以太网在m a c ( m e d i a a c c e s sc o n t r o l ，媒介访问控制子层协议) 层采用c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l u p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，带冲 突检测的载波侦听多路访问) 的媒体访问机制，因此具有通信时延不确定的缺 陷，并成为它在工业控制现场实时环境中应用的主要障碍，也是目前众多工控 专家十分关注的问题。除了通信时延的不确定性，要将以太网应用于现场设备， 还需要解决一系列其它关键技术问题，如数据包丢失、系统稳定性和网络安全 性等，这些问题直接影响以太网在现场设备中的应用。 所以研究以太网在工业网络控制系统中的应用，是很有意义的。 西华大学硕士学位论文 1 3 研究现状 网络控制系统是通讯网络和控制系统的有机结合，对网络控制系统的研究 包括控制和网络两个方面“6 1 。从控制角度出发，基本思想是将网络协议、拓扑 结构、信道负载和网络时延等作为已知条件，将l 蛮看作带有时延的复杂控制 系统进行分析并设计相适应的控制器，保证系统良好的控制性能和稳定性。从 网络角度出发，基本思想是从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协议 等方面提出解决方案，减小网络时延和降低时延的不确定性，以满足系统对实 时性的要求。同时，这两个方面也是相辅相成的，研究网络控制系统应从这两 个不同角度进行。 1 3 1 网络方面 从网络角度出发，主要是针对以太网的拓扑结构和介质访问控制层协议两 方面提出解决方案，便以太网满足实时性要求，降低在网络控制系统应用中传 输时延的不确定性。 1 ) 基于介质访问控制层协议的改进 基于协议的实时能力改进方法，也就是常说的软实时改进方法，是指用软 件调度策略对c s m a c d 机制进行改进，以提高以太网的通信实时性。目前主 要有冲突解决和冲突避免两种方法。 a 、冲突解决 这种方案在未发生冲突时，采用c s m a c d 协议，在发生冲突时采用一种 确定性的冲突解决方法。具体可以分为两类：一是基于数据分类思想，如文献 1 7 中给出的r t - c s m a ( r e a lt i m ec s m a ) ；二是基于退避时间的确定策略，如 文献 1 8 】中提出的c s m a m d c r ，c s m a l d c r 。 b 、冲突避免 这种方案在以太网链路层上增加一个软件调度层，将实时性数据和非实时 性数据分时发送，通过调度来避免冲突。目前具体也可以分为两类：一是基于 令牌总线的带宽预留方式，如文献 1 9 】中提出的r e t h e r 。二是基于时间片的 集中调度方式，如文献 2 0 h e 介绍的e p a 、p o w e r l i n k 等标准以及文献 2 l 】中给 西华大学硕士学位论文 出的e & t t e 协议。这些方案往往同时支持基于自由竞争的调度和基于分时发 送的确定性调度，网络节点按周期进行通信。 此外，还有一些学者基于协议切换的思想，提出了一些改进方案。文献 2 2 ， 2 3 1 结合优先级c s m a c d 协议的等级原则与t o k e nb u s 协议的均衡思想，提出 了一种改进的总线优先级轮循c s m a c d 协议。文献【2 4 】针对控制应用实时性 和确定性要求，提出了一种面向控制应用的总线以太网c s m a c d - m a s t e r s l a v e 切换混合协议，并通过仿真，证明了该协议在负载变化时确实能够提高通讯实 时性和可靠性。 2 ) 网络拓扑结构的改进 交换式以太网技术的出现，大大减少了网络冲突，在一定程度上解决了以 太网通信的不确定性问题，为以太网应用于工业控制现场提供了可能性。文献 2 5 】对星形和树形两种不同拓扑结构的交换式以太网的最大网络时延进行计算 和分析，以此来说明交换式以太网应用于工业控制中的可行性。 1 3 2 控制方面 目前，国内外学者主要从确定性分析和随机性分析两个角度对网络控制系 统存在的随机传输时延进行研究。 1 1 确定性分析 确定性分析方法是将随机时延转化为固定时延，然后对转化后的固定时延 设计控制器。从确定性理论角度对网络控制系统进行分析和设计有很多优点， 可以利用很多已经很成熟的理论分析系统的稳定性和进行控制器的设计。 r o g e l i o p 6 1 提出了基于观测器的分布时延补偿器。在该补偿器算法中，首 先在控制器和执行器接收端设置接收缓冲区，将时变的传输时延转化为固定的 传输时延。其优点是可用已有的确定性系统设计和分析方法对闭环网络控制系 统进行设计和分析，不受时延特性变化的影响；其缺点是将所有时延都转化为 最大时延，人为地将传输时延扩大化，因此降低了系统应有的控制性能。文献 2 7 ，2 8 】则证明，对于具有随机传输时延的闭环控制系统，若按最大传输时延来 设计控制器，则所得闭环控制系统不一定稳定。文献 2 9 ，3 0 】通过类似文献 2 6 】 西华大学硕士学位论文 的方法将一随机时变的系统转换成一确定性系统，并基于该模型设计y n c s 的 多步时延补偿器，并检验了系统模型中含有不确定参数时该补偿算法的鲁棒 性。 2 ) 随机性分析 随机性分析方法是基于网络时延建模，将网络时延作为系统中的随机变量 或随机过程，设计随机最优控制律。 n i l s s o n ”肥采用t e e 模型( a p 传感器采用时间驱动方式，控制器和执行器 采用事件驱动方式) ，假设时延的概率分布己知且不超过一个采样周期，并利 用嬲磁如蠖对时延的概率分布进行了建模，给出了闭环网络系统的l q g 随机最 优控制律。 魏震m 1 针对网络时延分布未知的情况，改进- f n i l s s o n 的l q g 控制律，提出 时延在线估计方法平均时延窗n ( a d w , a v e r a g ed e l a y sw i n d o w ) 方法，该 方法无需网络时钟同步和时延补偿，即可获得时延信息。 朱其新等0 4 讨论了在网络诱导时延小于一个采样周期且服从某一确定分 布时，n c s 在两种离散性能指标下系统的随机最优状态反馈控制器的设计，并 证明了该控制器能使系统均方指数稳定。 此外，文献【3 5 】针对网络时延提出了一种基于遗传算法的p d 控制策略。 文献 3 6 】在基于模型的网络控制系统( m b - n c s s ) 上研究了控制器执行器由传感 器的无约束对延信息触发的控制系统稳定性问题，并给出了l y a p u n o v 稳定性 条件。文献 3 7 】研究了网络诱导时延具有m a r k o v 特性的网络控制系统的随机性 最优控制问题。文献 3 8 ，3 9 利用基于线性矩阵不等式j ! l 仍的最优化算法针对 网络控制系统中的诱导时延进行补偿。 1 4 课题主要内容 本文主要从通讯网络和控制算法两个方面对以太网在网络控制系统中的 应用进行分析研究，并利用嵌入式技术构建了网络控制系统实验平台。具体内 容如下： 1 ) 结合工业控制系统的实际情况和要求对以太网的实时能力和影响实时 性的因素进行了分析，并提出了改善和提高实时性的一些措施。同时针对总线 西华大学硕士学位论文 供电、工业控制网络的安全性等问题给出了一些初步解决方法。 2 ) 在网络控制系统的控制算法方面，本文从确定性控制与随机性控制两 方面对国内外学者的研究成果进行了分析总结。在此基础上针对以太网在网络 控制系统应用中存在的传输时延不确定性问题，提出了一种基于模型预测控制 算法的时延补偿控制方案，并在m a t l a b 环境下进行了仿真，仿真结果表明了 该算法的可行性。 3 ) 根据现场设备的要求，利用3 2 位的嵌入式微处理器a r m 和嵌入式实 时操作系统u c o s - 1 1 设计了用于工业现场并具有以太网通信功能的硬件平台。 该平台还提供数据采集、控制输出、c a n 总线通信等功能。然后重点讨论了本 系统所采用的嵌入式t c p i p 协议栈，并针对实际应用做了适当的精简，以使 整个系统的响应速度有所提高。最后着重讨论了应用层软件的设计。本系统采 用b s 架构实现远程p c 对现场设备的监控，于是在t c p 协议之上实现了简化 了的日力 p 协议，在现场设备中构建了一个嵌入式w e b 服务器，通过动态页面 的方式实现对现场数据的实时监控。同时w e b 服务器的c g i 程序可以接受网 页表单中的控制信息，从而实现远程尸c 对现场设备一定权限的控制功能。为 了整个系统实验的需要，本文还设计了两个基于单片机的c a n 通信节点。这 些节点不仅提供c a n 通信接口，同时还具备数据采集、人机交互( 包括l c d 显 示、键盘输入等) 、步进电机控制等功能。 1 5 本章小结 本章首先介绍了控制系统的网络化发展过程，并重点介绍了网络控制系 统；然后介绍了课题的背景和研究意义，以及课题的研究现状；最后介绍了论 文的主要研究内容。 西华大学硕士学位论文 2 工业以太网技术研究 2 1 引言 所谓工业以太网( 舯】，是指在技术上与商用以太n ( r pi e e e 8 0 2 3 标准) 兼容， 但在产品设计时，材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、 可靠性、抗干扰能力和本质安全等方面能满足工业现场需要的以太网标准。 由于以太网在信息网络中的巨大成功和自身的各种优势，使得工业以太网 成为了人们所期望的企业网络全方位无缝融合的解决方案。但是由于以太网是 为信息网络设计的，在网络控制系统中应用存在许多问题，其中由于以太网传 输时延的不确定性导致的实时性问题成为阻碍以太网向现场设备层网络发展 的主要障碍，并成为了控制领域的一个研究热点。 2 2 工业以太网的实时性 2 2 1 工业控制应用中的实时性要求 在网络控制系统中，由于现场设备的地域分散性，现场设备间的信息交互 是通过通信网络实现的。为了满足控制要求，现场设备间的信息交互必须在一 定的时间内完成，即必须满足实时性要求。 从信息发送到信息接收之间的全部通信时延，称作端到端的通信时延。它 主要包括以下三方面因素1 4 ”： 1 ) 排队时延：从信息进入排队队列，到此信息取得网络使用权所需的时 间。排队时延主要由通信网络的m a c 层协议和相应的信息调度算法决定。 2 ) 发送时延：从信息的第一个字节开始发送到信息最后一个字节发送结 束所需的时间。发送时延取决于信息的大小和网络的通信速率。 3 ) 传输时延：信息在现场设备间传输所需的时间。传输时延取决予通信 网络在现场设备间的物理长度。 如果不能满足端到端的通信时延，则无法保证控制任务的实时性。因此， 在考虑以太网控制系统中的实时性要求时，应对其端到端的通信时延进行分 西华大学硕士学位论文 析。 2 2 2 以太网的实时能力分析 1 ) 以太网的通信过程和特点1 4 2 】 在以太网通信过程中，当一个站点要发送数据时，它首先会监听信道状态。 如果信道空闲，它就开始发送；如果信道在使用中，该站点将持续监听信道， 直到监听到信道空闲时才送出数据。一旦检测到冲突，说明数据帧已遭到破坏， 此时停止冲突帧的发送。具有边发送边检测功能的c s m a 称为c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n ，带冲突检测的载波侦听 多路访问) 。 在c s m a c d 机制中，各个节点采用1 坚持二进制指数后退算法( b i n a r y e x p o n e n t i a l b a c k o f f , b e b ) 处理冲突。采用b e b 算法时，每个站点有一个计数 器，它用来记录连续冲突的次数。站点根据连续冲突次数产生一个随机的等待 时隙数，然后该站点进入等待状态。一般地，对第i 次冲突，等待时隙数在2 一1 中随机产生。但是，冲突达到l o 次后，随机等待的最大时隙数就被固定在1 0 2 3 。 1 6 次冲突后，将不再动作，并向上层报告发送失败。 由于采用b e b 算法处理冲突产生不确定的重新发送时延，所以当一个数 据遇到冲突时，其等待时间具有不确定性。 2 ) 以太网端到端的通信时延分析 a 、排队时延 以太网的排队时延，主要是由于多个节点同时发送数据，从而发生冲突， 导致冲突节点等待重发产生的。文献 4 3 中给出了个节点的以太网发生i 次 冲突的排队时延期望值的计算方法。文献】从理论计算的角度推导出i o m 以 太网在最坏情况下的延迟时间。但以上这些计算都没有考虑在发生1 6 次冲突 后，节点丢弃数据的情况。但实际上正是由于存在数据被丢弃的现象，使得以 太网的排队时延不确定，也无法给出一个上界，从而使精确分析以太网的排队 时延变得十分困难。 b 、发送时延 以太网的发送时延，主要取决于帧的长度和以太网的通信速率。对于i o m 西华大学硕士学位论文 以太网，最小帧长度为6 4 字节，其中数据部分为4 6 字节，若数据部分内容不 足4 6 字节，则使用填充字段来达到要求。规定最小帧长度是为了防止一个站 点发送短帧时，在第一比特尚未到传输介质的最远端就已完成发送，可能造成 有冲突却检测不到的现象，同时也是为了区别有效帧和残余帧。最大帧长度为 1 5 1 8 字节，其中数据部分为1 5 0 0 字节。随着以太网通信速率的提高，相应地 必须增大最小帧长度或是减小传输介质最大长度。对于1 0 0 0 m 以太网，若传 输介质的长度为2 5 0 0 m ，最小帧长度应该提高到6 4 0 0 字节；若最小帧长度仍 然保持6 4 字节，则传输介质的最大长度仅为2 5 m 。 用f 表示帧的长度( 单位为b i t ) ，v 表示以太网通信速率( 单位为b i t s ) ，则 发送时延可表示为：7 0 = f i v 。 c 、传输时延 以太网的传输时延，主要取决于信号的传输速率，源节点和目的节点的物 理距离以及中继器的数目。在以太网上信号的传输速率一般为2 0 0 m l l t s ，一般 i o b a s e - t 以太网的中继器具有2 墒左右的时延。根据i e e e 8 0 2 3 的规格说明， 对于传输介质长度为2 5 0 0 m ，中间有4 个中继器的i o m 以太网，网上任何两 点间的传输时延最大不超过2 0 5 9 s 。对于l o o m 及更快的以太网，时延基本相 同，不同之处在于快速以太网的中继器一般具有更小的时延。若以太网上两个 通信节点间没有中继器，则传输时延只有很小的几个舻。 与前两项时延相比，传输时延在整个端到端的通信时延中所占的比例很 小。因此以太网端到端的通信时延主要取决于排队时延和发送大数据时的发送 时延。 2 2 3 改善实时能力的方法 目前，对以太网通信的实时能力改进方法主要分为两类：一类是基于协议 的实时能力改进方法，另一类是基于技术发展的实时能力改进方法。 1 ) 基于协议的实时能力改进 基于协议的实时能力改进方法，也就是常说的软实时改进方法，是指在不 增加节点成本的同时，用软件调度策略对c s m a c d 机制进行改进，以提高以 太网的通信实时性。这些方法又可分为冲突解决和冲突避免两种。 西华大学硕士学位论文 a 、冲突解决 这种方案在未发生冲突时，采用c s 翻 协议，在发生冲突时采用一种 确定性的冲突解决方法。具体可以分为两类： 一类是基于数据分类思想，如沈钢等在文献d 7 l e p 给出的r t - c s m a ( r e a l t i m ec s m a ) 。r t - c s m a 的基本思想是对于实时性数据采用坚持竞争的策略，在 发生冲突时实时性数据采用坚持发送竞争信号来最终取得信道的访问控制权， 并通过优先级决定坚持发送竞争信号的次数，两非实时性数据检测至冲突则退 出发送。为了防止非实时性数据无法得到信道访问控制权，在实际应用中往往 采用调度式通信方式，在系统中采用类似于现场基金会总线f f h i 中链路活动 调度器的主节点来发起一次通信周期，整个通信周期分为两部分，第一部分采 用r t - c s m a 来传输实时性数据，第二部分采用c s m a c d 方式来传输非实时 性数据。 另一类是基于退避时间的确定策略，如c s m a m d c r ，c s m a l d c r 。 c s 俐m c r 采用确定性的二叉树寻址方法，依照节点地址采取先序遍历的方 式解决冲突。c s 删翻z d c r 将发送时间被分为信息通知和信息发送两部分，当 节点的信息通知成功后可以连续发送几个信息。c s m a l d c r 采用动态二叉树 寻址， 基于冲突解决的m a c 层修改方案是基于传统共享式总线结构，由于需要 修改m a c 层协议，而以太网的m a c 层协议固化在网络芯片中，因此需要改动 硬件，增加应用成本。另外在这种方法下最坏冲突解决时间很长，远远大于平 均冲突解决时间，在工业以太网中应用不广。 b 、冲突避免 这种方案在以太网链路层上增加了_ 二个软件调度层，将实时性数据和非实 时性数据分时发送，通过调度来避免冲突。具体也可以分为两类： 一类是基于令牌总线的带宽预留方式，如c h i t r ae ”