（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统实验平台的开发.pdf

硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 摘要 v 6 2 4 0 3 0 为了给研究和设计网络控制算法提供真实的实验环境，本文以双轴小高炮数字 伺服系统为控制对象，设计了网络控制系统实验平台。论文的主要工作包括：设计 了含数据采集与执行计算机系统、视频服务计算机系统、远端网络控制计算机系统 的总钵结构；探讨了网络通讯、w i n d o w s9 x 下的实时控制、网络视频实时传输以及 三维动画等相关技术；设计并实现了通过实际网络( 校园网) 控制实际对象的网络 控制系统实验平台。该系统具有网络控制算法可嵌入调用、控制算法动静态性能直 观显示、不同通讯协议性能比较、网络延时及数据包丢失恬l 序对网络控制系统性能 影响分析、远端视频监控等功能。文末给出了实验结果，证明了该实验平台达到了 设计要求。 关键词：网络控制系统，t c p i p ，网络编程，v x d ，实时视频传输 硕士论文网络控制系统实验平台的开发 a b s t r a c t f o r s t u d y i n gn e t w o r k e d c o n t r o la l g o r i t h m ，an c s e x p e r i m e n t a ls y s t e m o nad i g i t a l s e r v os y s t e mi sd e s i g n e d t h ep r i m a r yw o r ki n c l u d e sd e s i g n i n gt h ef r a m eo ft h es y s t e m w i t ht h r e e s u b s y s t e m s ：r e m o t e n e t w o r k e dc o n t r o l c o m p u t e rs y s t e m ，v i d e o s e r v e r c o m p u t e rs y s t e m a n dd a t a - c o l l e c t i o na n de x e c u t i v ec o m p u t e rs y s t e m ，s t u d y i n gt h e t e c h n i q u eo fn e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n ，t h er e a l t i m e c o n t r o lu n d e rw i n d o w s9 x ，t h e n e t w o r k e dr e a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o na n dt h r e e d i m e n s i o n a lc a r t o o na n di m p l e m e n t i n g t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c hc o n t r o l sr e a lo b j e c tb ya c t u a ln e t ( c a m p u sn e t ) t h i s p l a t f o r m c a l le m b e dd i f f e r e n tn e t w o r k e dc o n t r o la l g o r i t h m ，d i s p l a yp e r f o r m a n c e o f d i f f e r e n ta l g o r i t h m ，c o m p a r ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n a l y s i st h ep e r f o r m a n c e w i t ht h em i s s i n go rd i s o r d e ro ft h ed a t ap a c k a g e ，r e m o t e l yo v e r s e et h el o c a lb yt h ev i d e o s o m e e x p e r i m e n tr e s u l t sa r eg i v e n i nt h el a s tt ov a l i d a t et h ef u n c t i o no f t h es y s t e m ， k e y w o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，t c p i p ，i n t e r n e tp r o g r a m m i n g ，v x d ， 也er - c a l t i m ev i d e ot r a n s m i s s i o n 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 1 绪论 1 1 论文研究的背景 随着现代工业的发展，计算机、通信、控制得到广泛应用，而控制系统规模的 日益扩大和网络软硬件成本的降低，使得网络控制得到越来越广泛应用。控制环路 通过实时网络的反馈控制系统是网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简写为 n c s ) i i 1 2 o 网络控制系统的应用领域主要在机器人工业、航空航天、一般工业中 的分布式网络控制。它是目前控制科学和飞速发展的计算机网络、通讯技术相结合 的产物。由于网络控制系统的优越性和广阔的应用前景，网络控制的研究自9 0 年 代业已开始，经过有关学者的辛勤劳动，己取得了若干成果，但总体上说，对网络 控制问题的研究目前还处于起步阶段，远不及对物理系统控制问题的研究那样系 统、准确和完善，所以对n c s 的进一步研究迫在眉睫。 本文是结合我校控制理论与控制工程学科点承接的国家自然科学基金项目一 一网络环境下的智能控制理论及方法研究( 编号6 0 1 7 4 0 1 9 ) 而进行的。当前对 网络控制系统所展开的研究，多数为理论研究和仿真验证。由于网络的实际情况复 杂，仿真软件很难全面刻画网络的实际情况，这使得理论研究与实际应用之间存在 差异。为了进一步深入研究网络的特性，获得更为实际的n c s 模型，并为理论研 究提供个有效的检验平台，文中开展构建一个通过实际网络控制小高炮伺服系统 的网络控制实验平台的工作。它的建立必然为课题的研究提供有效的支持。 1 2 网络控制系统概述胸m 1 2 1 网绍控制系统的概念及其优点 传统意义上研究的控制系统是点对点连接的控制系统。如图1 1 2 1 所示，也就 是说，控制器和被控对象之间的连接采用专线。 图1 2 1 点对点控制系统结构框图 网络控制系统的概念于上个世纪9 0 年代初被提出，并引起了人们的广泛关注， 其定义为控制环路通过实时网络的反馈控制系统是网络控制系统，特点是信息( 参 考输入、对象输出和控制输入等) 通过网络在控制系统部件( 传感器、控制器和 硕士论文网络控制系统实验平台的开发 执行机构等) 间交换。其典型结构如图1 2 2 所示。从图中可看出网络控制系统是 许多控制器和被控对象组成的控制系统集，它们通过网络连接在一起。对于其中一 对控制器和被控对象，它们结构框图如图1 2 3 。 由于网络控制属于一种分布式控制结构，因此具有系统联机少、可靠性高、易 于扩展以及信息资源共享等特点。n c s 可分为远程和局域网控制系统，远程网络控 图i 2 2 网络控制系统结构 网络通道 r 叫控制器卜h 输入通道延迟卜叫执行器+ 对象1 i 【j l l 反馈通道延迟l f ”8 ”r 图1 2 3 一对控制器和被控对象结构框图 制系统的主要优点是实现远程的控制。在医学、远程教学和进行危险作业中有广泛 的应用前景；局域网络控制系统的优点是减少了系统的接线，使系统容易诊断和维 护，增强系统的灵活性。 1 2 2 网络控制系统中的主要问题 虽然网络控制系统有着上文提到的种种优点，但是同时它又给控制系统带来许 多新的问题。网络诱导延时、数据包的时序错乱或丢失等问题的存在对整个控制系 统的性能有着不可或缺的影响，如何克服这些问题的影响成为网络控制系统设计中 必须要考虑的问题。下面简单介绍网络诱导延时、数据包单包多包传输以及数据 包时序错乱和丢失的相关概念。 ( 1 ) 网络诱导延时( 传感器一控制器时延和控制器一传感器时延) 在传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时就产生了时延。这种时延降低 了控制系统的性能，甚至使系统不稳定。造成网络延时有各种因素，可能是由于网 络上各节点( 每一个直接与网络连接的系统部件称为节点) 间竞争网络以及网络仲 裁形成；也可能是由于数据在发送时排队形成；还有网络传输的时间也可造成延时。 网络导致的延时可能是常数，也可能是时变的甚至随机的。 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 图1 2 4 闭环网络控制系统结构图 如图1 2 4 所示，通过网络来连接控制器与执行器、传感器与控制器，这样系 统通过网络交换数据会产生相应的延时。网络延时降低了系统的性能，甚至使系统 不稳定。q ”表示传感器到控制器间的网络延时，“表示控制器到执行器间的网 络延时。如果用f 来代表整个控制系统中总的网络延时，则有：f = f ”+ r “。在分 析网络对控制系统的影响时，为了简化起见可以把网络的作用归结到控制器与执行 器之间，或传感器与控制器之间，网络延时为总的延时f ，这个延时又称为网络诱 导延时。 ( 2 ) 单包和多包传输中的时序错乱 单包传输意味着传感器或执行器数据集中于一个网络包中传输，而在多包传输 中，传感器或执行器数据在不同的网络包中传递，他们可能不能同时到达控制器和 对象。进行多包传输有两个原因，一个原因是因为数据包的大小是有限制的，这样 大量的数据就必须分成多个数据包传输。另一个原因是网络控制系统中的传感器或 执行器通常相隔很远且很分散，很难把它们产生的数据集中在一个数据包中传输。 不同的网络适合不同类型的传输。以太网( e t h e m e t ) 最早设计用于传递数据 文件一类的信息，能够在一个单包中容纳1 5 0 0 字节的数据，所以可以把传感器数 据集中于一个数据包中传输。设备网( d e v i c e n e t ) 以传输小规模控制数据为特征， 在每个包中数据场的最大容量为8 字节，容量很有限，这样用d e v i c e n e t 传输传感 器数据时，通常采用多包传输。 被传输的数据包经众多计算机和通信设备且路径不是唯一的，数据包到达目的 地的顺序会发生颠倒、错乱。数据包时序错乱现象给网络控制系统的控制带来了新 的难题。 ( 3 ) 数据包的丢失 在网络控制系统中，网络可以看作为不可靠的数据传输路径，传输的包不仅存 在传输时延，还可能在传输中发生丢失。当网络控制系统中发生节点失灵或节点传 输冲突时，姆会发生数据包的丢失。尽管大多数的网络协议都考虑了传输重试机制， 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 它们也只能在有限的时间内重新传输，这个时间结束之后，包将丢失。此外为了维 护系统性能采用特定的协议也会发生数据包的丢失。正常情况下，反馈控制对象能 够容忍某种量的数据丢失，但是如果大量的数据包丢失肯定会影响系统的性能。研 究保证系统稳定的包传输率的下限和包的丢失究竟是如何影响网络控制系统的性 能是十分有价值的。 1 2 3 网络控制系统的设计 在控制系统中引入网络，由网络的诱导延时、单包多包的传输以及数据包丢失 等特性造成的网络控制系统复杂性；网络中传输的信息也总是处在个动态不确定 时变环境中的状态；同时网络控制系统通常面向的是分布化的传感器、控制器、执 行器和人机界面，网络上传送的信息都是数字量，应用场合常是工业现场，通常对 系统有实时性和可靠性的要求；这些都给控制系统的分析和设计带来了新的挑战。 网络控制设计的主要目标就是要通过分析时间、建模和设计网络控制系统，有效地 利用有限的网络带宽，使系统达到最好的性能。这些性能包括：稳定性、上升时间、 超调和其它设计要求的性能。 网络控制系统的设计目前主要有下面两种方式： 第一种方式是设计一个网络控制系统，不考虑包的时延和损失，但需要设计一 个通信协议使这些事件发生的可能性最小。如各种阻塞和避塞控制算法的提出，它 们用于在网络流量超过网络处理能力的情形下提高系统性能。 第二种方式是将网络协议和通流量作为给定的条件，考虑数据包的延时和丢失 等，设计控制策略以满足系统的要求。 1 3 研究现状 网络控制系统的研究是世界各国控制界和计算机界高度重视的课题。美国加州 大学b e r k e l e y 分校、b e l l 实验室、a t & t 的i n t e m e t 研究中心【5 】等早在9 0 年代就提 出了对网络特性和延时描述、分析的研究计划，m a r y l a n d 大学扣1 和c a s ew e s t e r n r e s e r v e 大学【7 1 也高度重视其在工业控制中的应用，我国在8 6 3 高技术研究计划中， 也对此给予了高度重视。 目前对于网络控制系统的研究一般采用理论研究结合仿真验证的方法进行。理 论研究中为研究方便常对网络中出现的各种问题做出了假设，如延时有上界或延时 为固定值等等。仿真验证中比较常用的仿真软件有瑞典l u n d 工学院设计的 t u r e t i m e 实时内核模块和网络模块 8 】，以及虚拟互连网络试验系统( v i n t ) 中的网 络仿真器n s 2 ( n e t w o r ks i m u l a t o r2 ) 1 9 。t u r e t i m e 是在m a t l a b 环境下进行仿真的 工具箱。利用它可以方便的仿真网络控制系统。n s 2 是虚拟互连网络试验系统 ( v i n t ) 中的一个重要部分。v i n t 计划是美国国防高级研究计划署支持，加利福 硕士论文网络控制系统实验平台的开发 尼亚大学伯克利分校、施乐等大学和公司共同开展的一项计划。该计划的目的是为 了解决目前和将来在网络研究开发和应用中所要面对的一些问题。这些问题包括： 对现有的网络协议进行性能评估时，对网络环境的要求以及需要数据的支持，开发 新的网络协议所需要的软硬件支持。在文献 1 0 】中还谈到了一种半实物仿真平台， 所谓半实物仿真又称硬件在回路中的仿真。把数学模型、实体模型( 物理效应模型) 和系统的实际设备( 实物) 联系在一起运转，组成仿真系统。在文中建立了一个在 网络部分采用了真实的网络，但是其他设备如控制器、被控对象等采用数学模型的 网络控制系统。 由于实际网络的情况复杂，纵观上述网络控制系统的研究方法，无论是方便理 论研究做的假设，还是采用仿真软件或是半实物的仿真都难以全面刻画网络的实际 情况，这使得研究成果与实际应用之间存在差异。因此结合网络环境下的智能控 制理论及方法研究课题的需要，提出了建立一个专门用于网络控制系统研究的通 过实际网络控制实际被控对象、方便研究人员进行分析、研究的实验平台的想法。 目前网络控制系统有许多实际的应用，但是专门用于网络控制系统研究的平台少有 先例。 1 4 论文的主要工作和内容安排 本文首先简单介绍了一下网络控制系统的相关知识，然后重点推出了一个专门 用于网络控制系统研究的实验平台，详细介绍了它的设计原则和目标、总体结构及 软硬件构成、各个分模块的软硬件设计、平台开发中用到的关键技术、及利用该平 台进行的相关实验分析。 本文各章内容组织如下： 第1 章介绍了论文的课题背景、网络控制系统的概念及其优点、网络控制系统 设计中存在的主要问题、设计目标以及网络控制系统的研究现状等。 第2 章叙述了网络控制系统实验平台的需求分析，并对其软硬件总体设计及主 要分系统瑷能进行了详细的介绍，给出了系统的主要硬件设备，平台的运行流程， 和该实验平台能够提供的实验。 第3 章对网络控制系统平台搭建中所用到的一些关键技术结合平台的开发进行 了较为详细的介绍。 第4 章详细介绍了网络控制系统实验平台中各个功能模块及其具体实现。由于 本人主要负责远端网络控制计算机的软件设计工作，所以重点介绍了远端网络控制 计算机系统软件的设计。 第5 章给出了实验的流程，列举了利用已搭建好的网络控制系统实验平台进行 的不同跟踪目标、不同控制地点、不同通讯协议以及不同固定延时下的网络控制系 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 统实验实例，并对实验结果进行了简要的分析。 文末对论文所做的工作进行了总结，并提出网络控制系统实验平台开发中有待 进一步探索的课题。 硕士论文嗣络控制系统实验平台的开发 2 网络控制系统实验平台的总体设计 2 1 网络控制系统实验平台建设的需求分析 目前网络控制系统的研究，多数为理论研究和仿真验证。由于网络的实际情况 复杂，仿真软件往往难以全面刻画网络的实际情况，这使得理论研究与实际应用之 间存在差异。为了进一步深入研究网络的特性，获得更为实际的n c s 模型，并为 理论研究提供一个检验的平台，方便研究人员展开下一步工作，建立一个网络控制 实物的实验平台成为当务之急。 考虑到实验室现有条件，选择小高炮双轴交流伺服系统实物平台作为对象，利 用已有的飓络( 校园网、i n t e r n e t ) 以及其它设备组成网络控制系统的硬件平台，在 此基础上结合网络控制系统课题的需要，设计功能强大、界面友好、性能稳定的软 件系统，为网络研究人员提供良好的实验平台和二次开发环境。归纳该平台的设计 原则及功能如下： 提供给研究人员具有真实网络环境和实际被控对象的网络控制系统； 各种网络控制算法在平台上方便的实现和调用及其相应控制性能的研究； 具有延时分析统计以及网络特性分析等功能，能为研究网络传输特性提供 必要的数据，方便网络控制算法的设计； 可人为的实现数据包的固定延时、丢失、倒错。方便的分析这些事件对于 整个网络控制系统的影响： 提供不同的协议下的通讯连接，便于研究多种网络环境下的网络控制系统； 通过该平台可以方便的进行以下实验： ( 1 ) 控制算法的嵌入与调试 研究人员可根据需要设计自己的控制算法，编写成动态链接库的形式嵌入到平 台的软件中，选择不同的跟踪对象，进行网络控制实验，根据平台提供的曲线图和 各项性能指标验证算法的控制性能。 f 2 1 不同通讯协议下，网络控制系统的性能比较 平台给研究人员提供了t c p 和u d p 两种协议的选择。通过不同协议下的实验， 方便的对结果进行比较，进一步分析其对于网络控制系统的影响 ( 3 ) 延时按某种规律变化对于网络控制系统的影响 网络延时的统计对于控制算法的设计，以及理论研究中的相关假设有着重要的 参考价值。平台可以统计出网络延时在各种网络负载情况下的规律，为理论研究或 是控制算法设计提供条件。 ( 4 ) 人为的数据包按某种规律丢失的实验 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 利用人为的丢弃某些数据包，可以呈现理论假设中数据包丢失规律，方便研究 数据包丢失对于控制系统造成的影响。 2 2 网络控制系统实验平台的总体设计 考虑到实验室现有条件，本实验平台选用小高炮实验系统为被控对象，由网络 控制计算机系统、视频服务计算机系统、数据采集与执行计算机系统三个子系统组 成，其中数据采集与执行计算机系统又包含了两个子系统，由m s p 4 3 0 单片机为核 心的伺服控制单片机子系统和由p c 构成的计算机子系统。数据采集与执行计算机 系统的两个子系统之间通过c a n 总线网络连接。数据采集与执行计算机系统与网 络控制计算机系统、视频服务计算机系统通过校园网或者i n t e r n e t 进行连接。 2 2 1 实验平台主要硬件设备 图2 2 1 为系统的硬件连接图。如图所示，整个系统大体包括了三台计算机、 s u m s u n gs c c 一6 4 1 球型摄像机、作为被控对象的小高炮实验系统、驱动高炮用的一 套以单片机为核心的数字交流伺服系统以及所用到的网络系统。位于控制现场的视 频服务计算机主要用于对从球形摄像机获得的现场视频信息进行采集和处理以及 云台的控制。数据采集与执行计算机负责自动炮方位俯仰数据的采集和远程控制 信息的接收。远程网络控镥4 计算机用于远程的控制。这三台计算机通过校园网或者 i n t e r n e t 进行连接。小高炮实验系统由以m s p 4 3 0 单片机为核心构成的双轴交流伺 服系统驱动，m s p 4 3 0 单片机和数据采集与执行计算机通过c a n 网进行了连接。其中 小高炮实验系统及其交流伺服系统又合称为小高炮伺服系统。 图2 2 1 系统硬件连接图 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 整个实验平台的主要硬件列表如下： 表2 2 1 系统所需硬件表 序 设备名称型号数量功能说明 号 0 1 远端网络控制计算机 i b mt h i n k p a d6 0 0 e 1 台远程软硬件设备平台 c 2 g 2 5 6 mr a m 0 2 视频服务计算机6 4 m 显卡8 0 g 硬1 台视频信息服务器 盘 c 5 3 3 6 4 m现场数据采集与远程控 0 3 采集与执行计算机1 台 r a m 2 0 g 硬盘制指令执行 p c i 1 0 m 一1 0 0 m 自 0 4局域网卡3 块通讯功能 适应网卡 0 5p c l 8 4 l c a n 网卡p c m - 3 6 8 0p c 1 0 41 块通讯功能 0 6 双轴数字交流伺服系统1 套用数字信号驱动小高炮 0 7 s a m s u n g 球型摄像机 s c c - 6 4 l1 个云台，视频捕捉 0 8 p i n n c a l e 视频采集卡 p c t vp r o 1 块视频采集 【。9 小高炮实验系统1 个 被控对象 2 。2 2 网络控制系统实验平台的各子系统说明 如前所述整个实验平台包含了网络控制计算机系统、视频服务计算机系统、数 据采集与执行计算机系统三个子系统组成，实验平台总体结构图如图2 2 2 。具体的 功能和工作原理如下： 1 ) 、数据采集与执行计算机系统的下位机直接与被控对象向连接，通过轴角编 码芯片将双轴数字伺服系统负载的方位与俯仰轴的位置信号转化为数字量，然后由 m s p 4 3 0 进行必要的转换后，通过c a n 接口传输给上位机；在特定的周期或根据上 位机的指令读取驱动器的状态并传输给上位机；上位机负责接收下位机传输来的位 置信息和驱动器状态信息，并通过网络传输给网络控制计算机；同时接收网络控制 计算机传输来的控制量和指令信息，并将其通过c a n 传输给下位机；下位机在接 9 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 收到信息后，将控制量转化为模拟量输出驱动被控对象。 图2 2 2 网络控制系统实验平台总体结构图 2 ) 、网络控制计算机系统负责接收数据采集与执行计算机系统传输来的被控对 象位置和状态信息，如发生故障则进行故障处理，否则利用被控对象的位置信息与 给定信号计算当前的位置误差，并调用相应的控制算法计算控制量，然后通过校园 网传输给数据采集与执行计算机系统；同时网络控制计算机系统接收视频服务计算 机系统传输过来的视频信号，并在指定的窗口中显示：另外操作人员可以通过系统 的人机交互界面调节摄像机的拍摄角度等参数以获得更好的画面和质量。 3 ) 、视频服务计算机负责采集摄像机的视频信号，并将其压缩为适合网络上传 输的信号，然后通过网络传输给网络控制计算机；同时接收网络控制计算机传输来 的摄像机控制指令信号，通过串行口控制摄像机的云台的镜头进行相应的动作。 2 3 网络控制系统实验平台的软件介绍 网络控制系统实验平台的软件主要在三台计算机上进行编程，主要工作集中在 远程的网络控制计算枫的软件设计上。 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 2 3 2 软件功能介绍 ( 1 ) 远程网络控制计算机软件 具有远程网络连接，时间同步，延时分析统计，远端视频播放，远端云镜控制， 对被控对旁的网络控制，网络控制算法设计，网络控制算法添加功能，三维动画显 示功能，系统参数设定，动静态控制信息及性能显示、存储、复现，固定延时、丢 包、时序倒错设置和选择，采样信息等缓存设计的功能，并具有友好的界面设计。 ( 2 ) 数据采集与执行计算机软件 远程网络通讯，对下位机数据的定时采集和控制指令的执行，远端信息的传送 和接收。 ( 3 ) 视频服务计算机软件 主要完成视频的捕获、压缩、本机预览显示、对串口的操作控制，同时完成与 远端的信息传输包括视频信息和控制信息。 2 3 3 平台软件运行流程 用户芦先要执行视频服务计算机软件对现场情况进行监视，并监听远端网络请 图2 3 1 视频服务计算机软件运行流程图 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 求，同时打开数据采集与执行计算机软件对小高炮伺服系统进行初始化操作并监听 远端网络请求。在远端进行网络实验时，执行远端网络控制软件首先向视频服务计 算机发出连接请求获得视频信息，然后向数据采集与执行计算机发出实验请求，成 功后开始网络控制实验。各部分详细流程图见下图2 3 1 ，图2 3 2 ，图2 3 3 。 视频服务计算机在运行时，首先通过摄像头、视频采集卡采集视频流，创建套 节字并监听网络连接请求。在连接成功后，将视频流进行压缩并通过网络传递给远 端，同时接收远端网络控制计算机的云台控制信息。 图2 3 2 数据采集与执行计算机软件运行流稳图 请求 硕士论文网络控制系统实验平台的开发 数据采集与执行计算机软件运行后，首先进行c a n 初始化和网络初始化，创 建套节字，监听网络连接。然后连接成功后，接收远端发过来的实验设置参数并相 应做出处理，准备时间同步。开始实验后一方面从下位机获得方位、俯仰信息并发 送给远端，同时从远端接收控制信息并通过下位机执行。最后到实验时间后，准备 下次实验。 向数据采 集与执行 计算机发 出请求 图2 3 3 网络控制计算杌软件流程图 远端网络控制计算机软件，由于和前两台计算机的都有紧密联系而显得比较复 杂。首先进行初始化、创建套节字分别向两台计算机发出连接请求，连接成功后， 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 一方面接收视频信息，进行视频解压显示，同时可以对云台进行操作。另一方面设 置实验参数并传递给数据采集与执行计算机，时间同步，开始实验。开始实验后， 通过网络接收采集信息并调用网络控制算法得出控制策略，发送给数据采集与执行 计算机。到时间后，进行性能评估并为再次实验进行准备。 2 4 实验平台的实验设计 本网络控制实验平台是为控制理论与控制工程学科点承接的国家自然科学基金 项目网络环境下的智能控制理论及方法研究服务的。它为研究人员提供了 网络环境下方便的实验工具，此平台上提供的实验有： 1 ) 控制算法的调试 针对网络环境下控制的特点，研究人员可能提出自己特有的控制策略或是检验 不同控制策略的优缺点。利用该网络控制系统实验平台，实验者应该可以方便的将 网络控制算法在不改变平台软件代码的前提下，嵌入到平台软件中进行调用，根据 系统运行的实时曲线图和各项性能指标验证算法是否有效。那么如何使得控制算法 能够在不改变源程序得前提下方便得嵌入平台呢? 这里可以采用将控制算法编写 成动态链接库由平台调用的方法。 2 ) 不同的网络通讯协议性能的比较 整个平台中的通讯主要在以太网和c a n 网中进行，在这里我们可以向实验者 提供了以太网t c p i p 协议簇下t c p 和u d p 两种通讯协议的比较，从而进一步分析 网络协议对控制系统造成的影响。 3 ) 网络延时的统计 网络延时对网络控制系统的性能有着重要的影响，统计出网络延时在网络负荷 轻、中等、重各种情况下的某些规律，则可以为以后的理论研究对网络延时的假设 提供符合实际的依据。如果平台记录发送端发送数据的时刻和收到接收端在接收数 据后发回的响应数据的时刻，那么对这两个时刻进行相应的处理就可以统计出网络 诱导延时。 4 ) 使延时按某种规律变化 目前针对网络控制系统的许多理论研究方法做出了固定延时或是最大延时的 假设。为验证这些理论的实际成果，软件应该能够让延时按某种规律变化或是模拟 这些理论侣设的情况。可以采用的方法是设置接收缓冲区让延时固定；如果想让延 时呈某种规律变化，可以在数据发送端加一个时间序列，使数据人为地等待一段时 间再发送。 5 ) 人为的使数据包按某种规律丢失 数据包的丢失对控制系统造成的影响是网络控制研究者比较关注的问题。采用 硕士论文网络控制系统实验平台的开发 研究人员自主对每一个接收到的数据选择处理或是不处理的方法( 在不处理的情况 就等同于数据包在传输的过程中丢失，目的地址计算机没有收到数据) ，可以方便 的实现各种丢包规律，便于实验人员进行研究。 2 5 本章小结 本章提出一种网络控制系统实物实验平台的设计方案，简要介绍了平台的硬 件、软件的总体设计和平台的运行流程及软件的主要功能、流程，文中还设计了利 用此平台可以完成的网络控制系统的实验。此平台将为以后的网络控制系统研究提 供了方便的工具，因为所有的实验都是在真实的网络上进行的，所以能使研究者的 研究成果更有说服力。 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 3 平台设计中的关键技术 3 1 网络通讯功能的实现 3 1 1t c p i p 协议 国际标准化组织( i s o ) 提出的开放系统互连( o s i ) 参考模型，将网络的软硬 仙秫= i 啬1耳前奏蛴百讳环培1本地环墙 x - y 通讯 一 开放系统a 7、 开放系统b 7 本地系统管理。应用层 应用层协议 应用层 掣管理 表示层协议 k 用 传感器被控 表示层 会话层协议 会话层 会话层 传输层协议 传输层 传输层 网络层 两络层 一舟络层掷议 ”- 数据链路层数据链路层协议 数据链酪层 物理层 物理层协议 物理层 物理介j 看 图3 1 1o s i 参考模型分层结构模型 件功能分为七层，如图3 , 1 1 。该模型中，开放系统被分为本地系统环境和开放系统 互连环境两部分。前者包括了本地系统管理、应用程序和其它一些程序，后者包括 七层功能及对应的协议。一般的通讯系统中，o s i 参考模型七层协议并不都是必要 的，因此在实际应用中，出现了简化的t c p f l p 协议模型，如图3 1 2 1 。 t e l n e t 、f t p 和e m a n 等 t c p 和u d p i p 、i c m p 和g m p 设备驱动程序及接口卡 图3 1 2t c p i p 协议族的四个层次 t c p i p 协议族下，运输层的协议主要有t c p ( 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 ) - 与 u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 两种传输模式，应用程序依据其传输需求的不同r 选 择两者之一进行传送。t c p 是属于“面向连接，可靠传输”的类型。面向连接的传 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 输意味着在进行通信以前，需要在两个系统之间建立逻辑连接，在每个数据传输的 过程中都需要进行应答以保证数据包的完整。这种方法需要的网络开销较大，可是 数据传输的可靠性可以保证。u d p 属于“面向无连接，不可靠的传输”，该协议只 负责接收和传送由上层协议传递的消息，它本身不做任何检测、修改与应答，上层 协议需要自己处理这些事务。由于u d p 在传送数据过程中没有建立连接，也不进 行检查，因此在良好的网络环境中，其工作的效率较t c p 要商。两个在处理时间与 可靠度之间找到一个平衡点。针对这样的差异，图3 1 3 做了简要的说明； 可 靠 度 处理时间 图3 1 3t c p 和u d p 的处理时间与可靠度的关系 像i p 协议以i p 地址在网络层进行寻址一样，在传输层的寻址工作是以端e l 编 号( p o r tn u m b e r ) 进行的。虽然网络节点间已经有i p 地址做为各机间相互通讯的 依据，但是如果在同一时间内相同机器间希望如图3 1 4 执行许多不同的功能，达 到分时多任务传输的目的，便必须在网络层寻址之外，再定义一个参数以作为相同 节点间不同通讯服务的识别依据，这项工作便可以由位于网络层之上的传输层来定 义。传输层依各项应用服务功能的不同分配不同的端口编号，与口地址一起搭配 使用在网络节点进行服务工作，因此在同一时间内便可以让一个以上的应用服务在 网络上进行传送处理。 节点a节点8 图3 1 4 通过端口进行通讯 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 端口编号既然用以代表某一个应用程序在网络上沟通的编号，那么就必须定义 这些应用伊使用的编号意义是什么，各协议机制( 如t c p 或u d p ) 的端口编号各 自独立，不同的协议机制有不同的端口编号定义，端口编号大致分为两种类型，分 别是静态的保留编号和动态的分配编号。静态保留编号由r f c ( r e q u e s to f c o m m e n t s ：评议请求) 委员会所制定，定义范围在0 - - 2 5 5 之间的整数，称之为公 认的端口编号。至于对一般使用者而言，则使用动态分配编号；这些编号必须使用 2 5 6 以后的号码，在不与其它服务端口编号相冲突情况下，由使用者或系统自行分 配设定，这类端口编号成为使用者端口编号i 习惯上，使用者端口编号大都为1 0 2 4 以上。一般而言，目的端端口编号以固定的公认端口较多，而来源端端口编号则通 常会是动态分配的端口编号。 3 1 - 2w i n d o w ss o c k e t s 下的网络编程1 1 2 1 1 3 】 作为t c p i p 核心的t c p 、u d p 、i p 等中下层协议向外提供的只是原始的编程 界面，而不是直接的用户服务。t c p i p 网络环境下的应用程序是通过w i n d o w s s o c k e t s 网络编程接口实现的。它是一套m i c r o s o f tw i n d o w s 下网络编程接口。应用 程序调用w i n d o w ss o c k e t s 的a p i 实现相互之间的通讯。w i n d o w ss o c k e t s 又利用下 层的网络通讯协议功能和操作系统调用实现实际的通讯工作。它们之间的关系如图 3 j5 。 ii l 应用程序ai 应用程序b j 【儿 网络编程界面如w i n d 。w ss o c k 出 j 亡 i通信服务界面t c p ，i p 核心协议 j 亡 操作系统如w i n d o w s j 亡 物理介质 圈3 1 5 网络编程界面与应用程序关系国 s o c k e t 又被称为套节字，实际上指一个通信端点。一个套接字是通讯的一端。 在这一端上你可以找到与其对应的一个名字，一个正在被使用的套接字都有它的类 型和与其相关的进程。套接字存在于通讯域中。通讯域是为了处理一般的线程通过 套接字通讯而引进的一种抽象概念。套接字通常和同一个域中的套接字交换数据 硕士论文网络控制系统实验平台的开发 ( 数据交换也可能穿越域的界限，但这时一定要执行某种解释程序) 。w i n d o w s s o c k e t s 规范支持单一的通讯域，即i n t e r n e t 域。使用这个域的各种进程互相之间用 i n t e m e t 协议族来进行通讯。 套接字有三种类型：流式套接字、数据报套接字及原始套接字。 流式套接字定义了一种可靠的面向连接的服务，实现了无差错无重复的顺序数 据传输。t c p 协议使用该类接口。数据报套接字定义了一种无连接的服务，数据通 过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证可靠，无差错。u d p 协议使用 此类接口。原始套接字允许对低层协议如i p 或i c m p 直接访问，主要用于新的网络 协议实现的测试等。 无连接服务器一般都是面向事务处理的，一个请求一个应答就完成了客户程序 与服务程序之间的相互作用。若使用无连接的套接字编程，程序的流程可以用图 316 轰示 图3 1 6 无连接套接字应用程序时序图 数据包套接字工作过程比较简单，服务器方和客户端分别调用s o c k e t ( ) 建立一个 套接字，然后调用b i n d ( ) 将该套接字和本地网络地址联系在一起。然后双方就可以利 用r e c v f r o m 0 和s e n d t 0 0 发送和接收讯息。最后，待数据传送结束后，双方调用c l o s e ( ) 关闭套接字。 面向连接服务器处理的请求往往比较复杂，不是一来一去的请求应答所能解决 的。使用面向连接的套接字编程，其工作时序如图3 1 7 所示。 硕士论文 嘲络控制系统实验平台的开发 图3 1 7 面向连接套接字应用程序时序图 流式套接字工作过程如下：服务器首先启动，通过调用s o c k e t 0 建立一个套接 字，然后调用b i n d ( ) 将该套接字和本地网络地址联系在一起，再调用l i s t e n ( ) 使套接 字做好侦听的准备，并规定它的请求队列的长度，之后就调用a c c e p t ( ) 来接收连接。 客户在建立套接字后就可调用c o n n e c t 0 和服务器建立连接。连接一旦建立，客户机 和服务器之间就可以通过调用r e a d 0 和w r i t e 0 来发送和接收数据。最后，待数据传 送结束后，双方调用c l o s e ( ) 关闭套接字。 3 1 3m f c 中网络通讯的实现 m f c 是微软推出的一个框架( f r a m e w o r k ) 式类库，它包容了w i n d o w s 中的 许多a p i 函数，并使你能够很容易地以面向对象的方式建立w i n d o w s 应用程序。 框架式类库同一般的类库的不同之处在于，库中的各个类之间是有联系的，它们是 按照框架所定义的模式去协作完成任务的。 硕士论文 网络控制系统实验平台的开发 m f c 提供了两个w i n d o w ss o c k e t s 封装类：一个是c a s y n c s o c k e t 类，另一个 是c s o c k e t 类。c a s y n c s o c k e t 类对w i n d o w ss o c k e t a p i 进行了封装，c a s y n c s o c k e t 类是从c o b j e c t 类继承下来的，它的目的在于向程序员提供一种面向对象的编程接 口，一边可以方便地处理有关网络行为的通知消息，而同时又保证程序员可以使用 较为底层的a p i 函数。c s o c k e t 类是从c a s y n c s o c k e t 类继承来的，它为程序员提供 了更高级的抽象性。 平台的搭建中，使用了c a s y n c s o c k e t 类的方法，编程步骤如下： ( 1 ) 调用类的构造函数创建c a s y n e s o c k e t 对象。 ( 2 ) 调用c r e a t e 函数创建s o c k e t 旬柄。 b o o lc r e a t e ( u i n t n s o c k e t p o r t = o | h t tn s o c k e t t y p e = s o c k _ s t r e a ml o n gi e v e n t = f 以r e a dif 芝w r i t eif 以o o bif d _ a c c e p tf 也c o n n e c tf d _ c l o s e , l p c t s t rl p s z s o c k e t a d d r e s s = n u l l ) ： 其中，参数n s o c k e t p o r t 用于指定套节字使用的端1 3 号；参数n s o c k e t t y p e 指定 套节字类型，如果是t c p 协议定义为s o c ks t r e a m ，如果是u d p 协议则定义为 s o c kd g r a m 。1 e v e n t 注册感兴趣的网络事件，l p s z s o c k a d d r e s s 指定网络地址。 如果函数调用成功返回非0 值。 ( 3 ) 采用面向连接的方式时，如果欲创建的套节字是服务器套节字，则调用 l i s t e n 函数侦听客户的连接请求；当收到连接请求后，调用a c c e p t 接收该请求。如 果是客户端的，则调用c o n n e c t 函数，向服务器套节字发送连接请求。采用无连接 的方式时，可以直接跳到下步。 b o o lc o n n e c t ( l p c t s t ri p s z h o s t a d d r e s s , | f 欲连接搬务器飘络地址 u i n t n h o s t p o r t ) ； “端口号 b o o ll i s t e n ( j mn c o n n e c t i o n b a c k l o g = 5 ) ： v i r t u a lb o o l a c c e p t ( c a s y n c s o c k e t & t c o n n e c t e d s o c k e t , n 用于连接韵新套节字 s o c k a d d r l p s o c k a d d r = n u l l 口返回连接请求套节字地址 i ”砸s o c k a d d r l e n = n u l ll ：撂定i p s o c k a d d r l e n 长度 ( 4 ) 调喟c a s y n c s o c k e t 对象的其他成员函数，完成与其他套节字的通信。面向 连接时，调用s e n d 和r e c e i v e 函数。无连接情况下，调用s e n d t o 和r e c e i v e f r o m 函数。下面是这四个函数的说明。 v i c t u a li n ts e n d ( c o a s tv o i d i p b u f , n 发送数据的缓冲区地鲢 # t tn b u f l e n 缓冲区字节长赛 i n t n f l a g s = d j j v i r t u a li n tr e c e i