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硕士论文网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 摘要 y6 2 40 73 网络控制系统和传统的控制系统相比具有连线少、维护方便、可靠性高等特点， 在现代工业中正得到越来越广的应用。由于网络的b i 入，控制系统因为延时的不确 定性变得非常复杂。本文以网络延时分析和建模为切入点，研究网络控制系统动态 特性。论文在分析以太网、令牌网和c a n 网性能和延时特性的基础上，通过使用网 络仿真器( n s 2 ) ，提出了以转移概率矩阵描述网络中数据的阻塞时间的方法，将一 类网络控制系统等价成离散时间跳变系统，并使用离散时间跳变系统稳定性分析方 法分析了网络控制系统的稳定性。 关键词：网络控制系统，网络仿真器，转移概率矩阵，离散时间跳变系统 塑主笙苎 堕些塑型墨竺垫查鳖丝塞塑：里型! ! 盟 a b s t r a c t c o m p a r i n gw i t hc o m m o nc o n t r o ls y s t e m s ，n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s ( n c s s ) r e q u i r el e s sw i r ea n dm a i n t e n a n c e ，a n dt h e ya r ea p p l i e di n m o d e mi n d u s t r ym o r ea n d m o r e i n t r o d u c t i o no fn e t w o r ki n t on c s sm a k e sd e l a y sr a n d o mi nt h en e t w o r k i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e m ，w ea n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fn e t w o r k s ( e t h e m e t ，c o n t r o l n e ta n d d e v i c e n e t ) ，b a s e do nw h i c hw ed e s c r i b ej u m p o f d e l a y sb yt r a n s i t i o np r o b a b i l i t ym a t r i x ， w h i c hi sn e e d e di n s t u d y i n gd i s c r e t e t i m ej u m ps y s t e m s ，a n dd i s c u s st h es t a b i l i t y o f n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sb yt h em e t h o do fs t a b i l i t ya n a l y s i s i nd i s c r e t e t i m ej u m p s y s t e m s k e y w o r d s ：n e t w o r k e d c o n l f o i s y s t e r n s ，n e t w o r ks i m u l a t o r ，t r a n s i t i o n p r o b a b i l i t ym a t t ix d is c v o t e t i m ej u m p in g 。s y s t e m 硕士论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 1 绪论 1 1 论文研究背景 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 l s y s t e m s ，简写为n c s s ) f i l l 2 1 , 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。网络控制的生命力在于它能减少复杂的物理连接、低成本、易于 诊断和维护并具有良好的机动性。近十年来，网络控制问题得到了国际控制和计算 机科学界越来越多的关注。由于网络中信息流传输的复杂性，网络作为闭环反馈控 制的一部分和被控对象组成的闭环系统是一变时延的不确定的复杂非线性系统，对 这类系统的建模和分析一直是困扰人们的难题。控制系统中网络的加入，使得从传 感器到控制器或从控制器到执行机构( 被控对象) 之问的数据传输带来额外的延时。 我们将控制系统中由于数据在网络中传输而引起的延时称为网络诱导延时。网络控 制系统中选用的网络介质可以多种多样，不同类型的网络使用不同通信协议，而这 些都会影响网络诱导延时，具体表现为网络诱导延时的随机性。 目前，对网络控制系统的研究有三个主流，个是在给定网络条件下，考虑数 据包的延时和丢失，设计控制策略，其目标是减少网络诱导延时对控制系统的影响， 保证系统性能；第二是网络调度，不同的对象对实时性的要求也会不同，网络调度 就是根据网络控制系统中的节点对实时性的不同要求对网络中传递的数据进行调 度，使其尽量满足对象的要求；第三，网络延时和网络控制系统的建模，这类方法 是找到一种合适的描述网络诱导延时随机性的途径，从而给网络控制系统的研究、 建模带来方便，这也是本文研究的主要内容。 1 2 网络控制系统概述 传统意义上研究的控制系统是点对点连接的，如图1 2 i ，也就是说，控制器和 被控对象之间的连接采用专线。 y k 图1 2 1 点对点控制系统结构框图 网络控制系统中，传感器、控制器、执行器等都通过共用的通讯介质如总线相 连，各部分之间可以实现点对点的对等通讯。由于网络控制属于一种彻底的分布式 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。 硕士论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 网络控制系统的特点是信息( 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) 通过网络进行交换。网络控制系统可分为远程 和局域网控制系统，远程网络控制系统的主要优点是便于实现遥操作、遥医学、远 程教学和试验，典型的应用包括基于天际网络空间实验室遥操作机器人、远程外科 手术等；局域网络控制系统典型应用包括网络家电、蓝牙技术、办公系统和计算机 集成制造系统等。 图i 2 2 网络控制系统结构 网络通道 h 控栅卜叫输入通道延迟卜_ + 执行器+ 对象l i 反馈通道延迟l i # m l 一 1 ”一r 图1 2 3 一对控制器和被控对象结构框图 网络控制系统的结构如图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 所示。每一个直接与网络相连的系统部件称为节 点。和广泛应用的计算机网络相比，网络控制系统主要追求实时可靠的控制质量。 由于在控制系统中引入网络，而网络自身特点造成网络控制系统的复杂性，主 要在于：( 1 ) 网络上多用户共享通信线路且流量变化不规则；( 2 ) 传输数据流经众 多计算机和通信设备且路径不唯一；( 3 ) 数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中 断等原因会导致时序错乱、数据包丢失。因此，网络中传输的信息是处在一个动态 不确定时变环境中。网络控制系统设计的主要目标是有效地利用有限的网络资源， 以保证闭环系统的性能，这些性能包括：稳定性、上升时间、超调和其它设计准则。 1 3 国内外研究现状 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 1 实验室、a t & t 的i n t e r n e t 研究中心【4 1 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5 1 和c a s ew e s t e r n r e s e r v e 大学【6 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， 硕士论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 也对此给予了高度重视。网络控制系统具有明显的工业价值，例如基于c a n 、f i r e w i r e 的网络控制和传统的控制系统相比，减少了系统的连接，降低了成本，使系统容易 诊断、维护，具有更高的灵活性。而长延时网络控制系统( 基于i n t e r n e t 远程控制) 在机器人遥操作( t e le o p e r a t i o n ) 【7 】l 引、远程医疗等方面也得到了很好的应用。如 n a s a 最早的路径规划任务，科学家要赶n 力i i , n 控制中心去控制火星上的机器人，而 现在通过i n t e r n e t 就能使世界各地的科学家们相互合作完成各种控制任务。 在网络控制系统中，网络对控制系统的影响主要是网络诱导延时。网络控制系 统的建模则是根据网络延时模型对整个系统重新评估。目前在延时和网络控制系统 建模方面已有许多成果。 在文献 9 】中，w a l s h 考虑网络控制系统对实时性的要求使得网络诱导延时必须 有上界，通过一些方法将网络诱导延时始终达到上界。这样可以将网络控制中的网 络诱导延时视为一个延时为上界的滞后环节，而网络控制系统就成为一个带有滞后 环节的控制系统。 在文献 1 0 中，f e n g 。il i a n 提出在网络诱导延时为常数的条件下，使用混合系 统的稳定性分析方法分析网络控制系统的稳定性问题。作者将被控对象视为连续的 系统，将控制器的控制信号、传感器采集的数据看作是离散事件。 f e n g l il i a n 还考虑到网络中数据包的丢失，网络诱导延时为常数的网络控制系 统可以使用异步动态系统来描述。异步动态系统也包含连续的动力学和离散事件特 性。它使用一个开关的开和闭来描述数据包的丢失。 所有的这些成果都有一个遗憾，他们都规定了网络延时为常数或一卜十界，这些和网 络延时的实际情况不相符合。 1 4 论文主要工作及研究内容安排 网络控制系统因为使用网络作为传输信号的媒介，所以必不可少地引入了延时。 为了对网络控制系统建模，我们对网络控制系统的各个模块进行分析。在论文前面 提到网络控制系统包括控制器、执行机构( 被控对象) 、网络和传感器四个模块。和 传统控制系统相比，网络控制系统主要不同在于网络模块的引入。要是能够对网络 模块建模，网络控制系统的模型便能够建立起来。 由于网络控制系统中各节点的数据采样具有周期性，它和网络介质访问控制机 制的特性以及各个设备之问的紧密联系使得网络诱导延时也具有一定的规律性，使 用随机概率的方法能够方便的描述网络诱导延时。在研究网络诱导延时概率分布的 基础上，我们使用转移概率矩阵来描述网络中各节点数据延时的变化规律。这时可 将网络控制系统看作是离散时间跳变系统，然后使用跳变系统方面的分析方法研究 网络控制系统的稳定性。 硕士论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 论文内容安排如下： 第一章概括地介绍了本文的研究背景和网络控制系统的国内外研究现状，及本 文所要做的主要工作和研究内容。 第二章主要介绍了已有的几种网络控制系统模型：纯滞后模型、混合系统模型 和异步动态系统模型，以及与模型相关的系统稳定条件。 第三章叙述了i 种控制网络的m a c 机制，针对控制的要求分别列举了它们的优 缺点，并简要地对三种控制网络进行了比较。论文重点分析了网络诱导延迟的特性 和组成以及其对控制性能的影响，并对三种控制网络的阻塞时间作了简要分析比较。 最后给出网络性能分析度量的几个指标，根据这些指标简单讨论了其与n c s 性能的 关系，并使用n e t w o r ks i m u l a t o r2 对以太网中的网络诱导延时进行仿真。 第四章对以太网、令牌环网和c a n 网的网络阻塞时间进行分析，使用转移概率 矩阵描述了网络阻塞时间的跳变，并使用离散时间跳变系统的方法研究网络控制系 统。 文末对论文所做的工作进行了总结，并对网络控制系统建模有待进一步探索的 课题提出了个人的几个观点。 受主堡苎 堕堡塑型墨竺垫查塑丝垄堡二堕塞! ! ! ! 塑 2 网络控制系统动态特性建模和稳定性分析综述 2 1 简介 网络控制系统建模是网络控制系统的一个研究重点。目前在这方面的研究成果 非常多，其中许多是针对不同的网络特性，设计出不同的系统模型，典型的有纯滞 后模型、混合系统模型异步动态系统模型等。 2 2 滞后模型l l l l 由图2 2 1 所示，一般的网络控制系统的网络诱导延时包括两部分：一部分是由 传感器采集的数据通过网络发送给控制器的反馈通道延时，另一部分是控制器的控 制信号通过网络发送到执行机构( 被控对象) 的输入通道延时。 h 控制器卜 一输入通道延时卜- q 执行器+ 对象j i 反馈通道延时r l jlm m wl i 一r 图2 2 j 网络控制系统 设f 。，为反馈通道延时，f 。为输入通道延时，则“= f 。+ r 。为整个网络诱导延 时。一般情况下网络控制系统对于数据传输都有实时性要求，也就是要求数据在网 络中传输所引起的延时( 网络诱导延时) 必须要有上界。丸的上界就是反馈通道延 时上界与输入通道延时上界之和。如果网络的延时每次都达到延时的上界，则网络 延时等价于一个滞后环节，那么网络控制系统等价于一个带有滞后环节的控制系统。 假设系统每次采样的周期为h ，采样的数据每次延时靠到达控制器端，且“ h 。 则网络控制系统模型可以写为式( 2 2 1 ) i ( f ) = a x ( t ) + b u ( o ，f 【舳+ 气，( t + t ) h + + i ) y ( o = c x ( t ) ， u ( t + ) = 一i ；( f 一“) ，f 铷+ “，k = o ，l ，2 k “( f + ) 分段连续且在砌+ n 处变化，那么根据状态方程求解公式 x ( t ) = 巾( f 一，o ) x ( t o ) + im ( ，一s ) b u ( s ) d s 令，= ( 女+ d h ，“= k h ，可以得 m + 1 ) 矗) = g 。k ( 螂+ c = + 1 1 6 + “) b u ( s ) d s 令s = ( + o h s ，由式( 2 2 2 ) 得 ( 2 ，2 1 ) f 2 2 2 1 硕士论文网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 z “t + o h ) = e a h x ( 肋) + r 一e “出b “女一1 ) ) + r _ ，。e “( 一幽7 ) - 曰“( 肋) = e a h x ( k h ) + h州6 一b “o+ r “ ( 女州 一s b “o h + r k e a ) d s h e a ( ) d s , k h + r = e “x ( 船) + h + r 4 e a ( ( k + o h _ q d s 锄( ( t o h ) + _ ? he a ( ( k + i v , _ o d s j - h 协( 肋) + f ( 2 2 - 3 ) 仍然令s = 5 ，由式( 22 3 ) 得 x “t + 1 ) ) = e 。“x ( 而) + - t 1 e a s 口( 括“( t ) + f e 。b d s “( ( t o h ) ( 2 2 4 ) 令中= p ”，t o ( “) = f 。e a s 鼬， 定义增广状态向量 r ，( “) = 融5 b 凼可以得到 z “+ 1 ) ) = o x ( k h ) + g ( r t ) “( m ) + r l ( f 女) “女一1 ) h )( 2 2 5 ) z ( k h ) = k ( 砌) “7 船一1 ) 矗) 】7( 2 2 6 ) 就有 如+ 1 ) 班r 掣世料) 令面= i 巾一c o k ( r 。k 一( 0 r k ) l ，上式简化为 z “女+ 1 ) ) = 面( 女) z ( 胁)( 2 2 7 ) 根据网络的协议可知，d e v i c e n e t 和c o n t r o l n e t 网络诱导延时是有界的。虽然e t h e r n e t 由于b e b 算法的影响，网络诱导延时可能无界，但对于使用t c p i p 连接的以太局 域网而言也可以认为是有界的。 考虑如下积分控制实例： 量( f ) = 甜( f ) ，f 【k h + f ，( 七+ o h + f 1 ，f 0 ( 2 2 8 ) 定义式( 2 2 6 ) 的z ( k h ) ，则式( 2 2 7 ) 即为 面= 1 一竺k 懈0 7 j ( 2 z 9 ) l 一 ” 根据文献【2 】中的“稳定三角关系”可得满足稳定的r 和 的关系： 硕j 土论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 m a x 告纠椭渺) 或 m a x 旨驯 o ， k h ，k ：0 3 ，2 ， 根据文献【1 7 】的推论1 4 知，式( 2 3 1 ) 表示的混合系统的稳定性的充分条件是以下 堡主堡塞 ：塑竺量型墨竺垫查堑丝堡塑：堕塞塑坌塑 i 阵的谱半径小于1 h 彤麓d 眨，固 其中： 茸= p m ”b d s ；e ( h ) b 对式( 2 3 1 ) 表示的网络控制系统，考虑“= f ( 常量) 的情形，令i ( f ) = x ( t r ) 则 式( 2 3 1 ) 化为： t ( 7 ) = 一x ( t ) - 哆) ， k h + r ，( 2 + w + 7 ( 2 - 3 3 ) i ( ，) = x ( t f ) ， k h + f ，k = 0 , 1 ，2 ， 、。 其表示的动态方程可得： x ( t f ) = e - a t x ( t ) + e - “e ( r ) b k a ( t ) 将其代入式( 2 3 3 ) 中有 浆e 血- a 。t x 泛( t 篇：暑淼茹二? k 。，忆2 ，偿，量( f ) =) + e 一“。e ( r ) b 臌o ) ，f t + f ，= o ，l ， 。 7 比较式( 2 3 1 ) 和式( 2 34 ) ，式( 2 3 4 ) 是式( 2 3 ，1 ) 当f 和毋为0 ，且式( 2 3 i ) 中a ，b ，c ，d 分别为模型式( 2 ，3 1 ) 的a ，一b k ，e “。，e - a t e ( f ) 的情形。将其 分别代入式( 2 3 2 ) 中，可得： 髻：。；赢篙柱 亿，s ， 网络控制系统稳定的充分条件就是式( 2 3 5 ) 表示的矩阵谱半径小于1 。 考虑式( 2 2 8 ) 积分控制实例，只要对式( 2 35 ) 令a = 0 ，b = 1 即得其稳定的 充分条件为以下i t 阵的谱半径小于1 。 h = h 焉一 亿，固 讨论h 阵的特征值的模，其均小于1 的条件为： m a x 渺一划i 1 i2足。ik 或 一侄1 2k h ，o 0 hj k h ( 2 3 7 ) i 7 j 、7 该式表示f 的取值范围如图2 3 1 所示，该稳定区域包括图2 2 2 的稳定区域。用混 合系统理论证明的网络控制系统的稳定区域可以为延时大于采样周期的情形。 堡圭堕奎 堡垒墼型墨竺垫查堑丝矍塑二_ 堕墨! ! ! ! 笪 图2 3 1k = 2 时式( 2 3 7 ) 表示的稳定区域 2 4 异步动态系统模型1 1 1 网络控制系统中网络性能不理想时，不仅要考虑网络诱导延时，而且还要考虑 数据包的丢失。网络可以看作是一个不可靠的数据传输路径，网络中数据包冲突和 丢包现蒙经常发生。鉴于以上情况，文献 1 8 1 提出将网络控制系统看作是有速率限 制事件的异步动态系统( a s y n c h r o n o u s l yd y n a m i cs y s t e m ) 。 异步动态系统是包含离散系统和连续系统的混合系统，其中离散系统是由有限 的、固定比率的、异步的外部离散事件驱动。异步动态模型可用式( 2 4 1 ) 表示： x ( k + 1 ) = f ( x ( ) ) ，s = 1 , 2 ， l h - ：t g 。 根据该引理可知，如果系统的差分方程为：x ( ( + 1 ) ) = 中；x ( 肋) ，j = l ，2 ，n 则可构造l y a p u n o v 函数为x t ( k h ) p x ( k h ) ，其中p ( 对称正定) 和标量满足： 硕士论文网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 l o g a i + r 2l o g 口2 + + l o g a 0 叫p o 。口j 2 p ，s ：1 “2 ， ( 2 4 3 ) 问题转化为解不等式方程组。 考虑n c s 模型 i ( ，) = a x ( t ) 一曰麟( f ) ，f 【，f 女+ 1 ) 量( 0 ) = x ( t 。) ，女= 0 , 1 ，2 ， 采样周期h 固定，其对应的差分方程和模型如图( 2 4 1 ) 所示。 其中 图2 4 1 具有数据包丢失的n c s 模型 中2e 。“ f ：l e a , d s b j ( 2 4 4 ) 协s 端三裟啪， ， 【2 ：章( 胁) = z ( ( 尼一1 ) 矗) s 1 和s 2 为切换开关，定义指示函数s ( k h ) = 1 ( 传输) ，o ( 不传输) 。定义增广状态矢 量： w ( 砌) = i x 7 ( 砌) ，i - ( t h ) 1 7 具有数据包丢失的n c s s 为如下的a d s 系统： 似( t + 1 ) ) = 面。、w ( 舶) 其中： 昏曙：姜i 硕士论文网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 咕 言一翻 设以上系统x ( i ( 】1 ) 以比特率r 发送，如果存在l y a p u n o v 函数v ( w ( k h ) ) = w t ( k h ) p w ( k h ) 和标量q1 、2 ( p 对称正定) 满足： 口r 钟 】 砸jj d m l 口r 2 j p 巾；，) 巾，口一j d 则系统指数稳定。 2 5 本章小结 本章主要介绍了已有的几种网络控制系统模型：纯滞后模型、混合系统模型和 异步动态系统模型，以及与模型相关的系统稳定条件。 堡主兰皇 塑丝丝型墨竺垫查壁堡堕塑：堕塞塑! ! 盟 3 控制网络性能和延时分析 3 1 控制网络 3 1 1 控制网络简介 计算机网络通常被划分为两种类型：控制网络和数据网络。在控制网络上通常 传递控制信号、和被控对象的状态信息。它们很频繁地来回于控制器和被控对象之 间，用来满足实时控制系统的实时性要求。而数据网络主要用来传输猝发式的大数 据包，数据网络的传输率一般很高。把数据网络和控制网络区分开的关键因素就在 于支持实时应用的能力。由于控制系统的原因，控制网络的实时性要求要比数据网 络高得多。当然这样一个关键因素也只是一个模糊的区分，我们并不能很严格地认 为哪种网络是控制网络，哪种网络是数据网络。 控制网络分析包括三个主要的方而：网络结构分析、网络协议分析和网络性能 分析。网络架构可以将各种设备如传感器、执行机构和控制器连接在一起。与传统 的点到点的结构相比网络控制系统连线更少，需要的维护也更少。这也使得处理功 能和计算负载分散到许多小的单元模块中成为了可能。另外，多个处理器之间的分 布控制与集中控制相比更具有鲁棒性和容错性。而集中控制的系统一旦有一一个点发 生故障有可能使整个系统出错。 网络被认为是简化信息传输的最主要的机制之一。因此计算机网络在近十年越 来越受到人们的普遍关注。图3 1 1 说明了整个网络的层次结构，这样一个模型包括 五层，每一层有其不同的目的、通讯能力、协议和复杂度。在现代制造系统中，第 一层是设备层或者是传感器一执行机构层，它用来连接控制器、传感器和执行机构。 第二层是单元控制层，它被设计用作单元级的生产机器控制。通常第一层和第二层 分别被称为“传感器总线”和“现场总线”。第三层是监督层用于连接执行不同生产 过程的机器单元。第四层是工厂级的管理，它用作工厂内各项任务执行的协调。第 五层合作管理层，它用作连接分布于不同城市或国家的工作站。这样的一个系统和 一个典型的集散控制系统比较，如图3 1 2 ，它们第- n 四层是对应的，只是具 体的区别在于直接控制层上设备的连接上。传统的系统使用点对点连接，现在的系 统使用总线连接方式。 针对不同的层次应用人们提出了许多网络协议，这些协议都是基于标准的七层 i s o o s i 模型，并且使用相同的形式的报头报尾寻址方案。例如，对于一个1 6 位 的数据包在基于标准c a n 协议的网络上传输，大概有5 0 个额外的位专门用于校验 和有效地传输。对于每个消息正确寻址后，协议还制定特定的传输规则用于正确的 传输和避免冲突，例如c s m a c d 。 堡圭望皇 旦塑丝型墨篓垫查塑壁建堡：堕壅塑坌盟 网络系统根据网络协议也可以提供一些支持关于不同通信模式的特性。这些特 性包括客户服务器，主从机( 一对连接) 和其它一对多连接方式。这些特征 满足各种处理过程的不同通信要求。因为所有的器件都通过网络总线连接，由单个 传感器产生的信息可以很容易地被其他器件使用而不用像传统的系统那样生成信息 的副本或使用某种算法满足分布性的需要。因此，在同一总线上的任何器件的信息 都可以和其它器件共享而不需要建立额外的硬件。 工作站服务器 合作管理层 广域网 工厂管理层 工作站 监督层工作站p c e t h e r n c t m a p t c p 门p e t h e r n e t 1 p m o d b u s 厂lf p局域网 单元控制层p l c i r o f i b u s c n c i ，o n w o r k s p c w o r l d f i p c o n t r o l n e t 传感器被控对象层 现场总线 c a n ，d e v i c e n e t s d s 传感器 a s i 、b i t b u s i n t e r b u s p - n e t 被控对象 s e r i p l e x ，s c r c o si n t e r f a c e 传感器总线 图3 1 1 网络层次结构模型 经营管理级 生产管理级 过程管理级 l直接控制级 i 连续控制过程批量过程离散过程 i 燕四层 第三层 第二层 第一层 现场设备 图31 2 集散型控制系统结构模式 网络系统性能的度量包括访问延时、传输时问、响应时间、消息延时和消息冲 突( 冲突率) 、消息吞吐量( 数据包的丢弃率) 、数据包的大小、网络的利用率和确 定性的时间延时上界。这些度量值组成网络的性能矩阵，它们也在不同程度上影响 着网络控制系统的性能。网络控制系统的网络通常应满足两个主要的原则：一个是 堡圭堕塞 婴竺塑型墨竺垫查堕丝堡堡二- 堕塞塑坌塑 消息在网上传输的时间延时是有界的：另一个是消息在网上的传输是可靠的。将这 两个主要的原则综合起来讲就是，一个消息的成功传输整个延时的时间必须是有界。 如果从传感器到执行机构的信息传输时间延时很大或者传输失败，控制系统的性能 将严重下降甚至会导致系统不稳定。对于控制系统人们提出了很多协议来满足控制 系统的需要。上述的网络性能度量就可以用来确定网络介质的能力，以及对控制参 数( 如采样时间) 和网络参数( 如通信速率) 的选择设计提供必要的参考。 3 1 2 网络结构与协议 现代制造系统中典型的网络结构包含了三个不同的层次：信息系统( i s ) 网络， 离散事件单元( d e c ) 网络和连续量器件( c v d ) 网络。这种分类是根据工业中典 型功能和信号特征划分的，如图3 1 3 。 信息系统网络 s 代表传感器、a 代表执行机构、c 代表控制器 图3 i 3 现代制造系统典型网络结构 顶层i s 网络用于传输对时间没有严格要求的非实时信息，例如日产量数据。i s 网络上的信息的特点主要是数据量较大但数据传输频率较低。中间层d e c 网络主要 传输控制命令或者更新不同设备单元或子系统的设置。通常在d e c 网络上传输的信 息都是离散的信息或者是基于事件的信息，这些信息一般也都具有周期性，数据量 相对较小，对实时性有一定的要求。当d e c 网络层的信息传输时间延时较大或出现 数据丢失，可能导致不同子系统问的协调性出现问题。以上两层网络通常认为是用 于管理的，管理是一个开环过程而控制是一个闭环过程，因此，这两层网络并不直 接加入到控制过程中。最底层的网络是c v d 网络，通过网络编码和解码用于传输如 位置、速度和温度这样的物理信号量。传感器、被控对象和控制器通过c v d 网络连 接起来，传输的信息具有周期性，对实时性要求很高，而且信息的数据量小但传输 频率很高。该层的信息传输的时间延时或数据包的丢失都会降低系统的性能甚至导 硕士论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 致系统不稳定。这三层网络一般通过网关或网桥连接，如果三层使用同一网络，在 l s 网络上传输的大数据包将会降低c v d 和d e c 网络的效率，c v d 网络上的频繁数 据传输也可能会加大d e c 或i s 网络信息传输的延时。 根据网络诱导延时的特性，网络分为三种类型：随机网络、有界网络和常值网 络。顾名思义，在随机网络上传输的信息延时是随机的，有界网络则表示延时有确 定性的上界，而常值网络上的时间延时保持定值。这样的分类主要从两个器件间介 质访问控制和时间延时角度划分，这三种控制网络在工业实现上分别以以太网( 随 机) 、令牌网( 有界) 和c a n 网( 常值) 为代表。e t h e m e t ( i e e e8 0 2 3 ) 使用c s m a c d ( 载波监听多路访问冲突检测) 网络协议。c s m a c d 是网络上每一个节点在发 送信息之前检测网络，如果有冲突，冲突的节点停止传输随机等待一段时间后再重 新发送。根据二进制指数退避算法( b e b ) 可以知道传输延时是不确定的。虽然 e t h e m e t 也存在其它改进，例如交换以太网，这些减小了冲突的概率提高网络的确定 性，但如果使用了b e b 算法，设备间通信延时的时间就是随机的。令牌网的传输延 时则是有确定性上界的。从名字就可以看出有一个令牌在网络中传输，只有得到令 牌的设备才能发送信息。这样除了传递令牌，整个传输的带宽由所有的设备瓜分。 只要网络没有饱和，信息传输的时间延时就有上界，延时的幅度取决于传输数据率、 网络上的节点数、数据包大小和最大令牌传输时间。典型的令牌控制网络有 c o n t r o l n e t ，m a p ( i e e e8 0 2 ，4 ) 和p r o f i b u s 。基于c a n 的网络协议对传输短的信息 数据做了优化，使用c s m a a m p 介质访问方法。该协议是面向信息的，每个信息 都被指定了一个优先级，用于在出现同时传输时决定哪个节点获得网络的访问权。 传输信息的位流使用开始位来同步，优先级跟在开始位后且逻辑“0 ”优先于逻辑“l ”。 因此，如果两个设备同时发送信息，它们都先连续地发送消息帧，接着侦听网络。 如果收到与自己发出的不同的位，它就失去了继续发送消息的权利，那么另外一个 就赢得优先权。通过这样的方法使得正在进行的传输不会发生中断，如果消息的周 期和发送时间已知，任何两个设备之间的时间延时就是确定的而且是常数。关于上 述三种网络协议在下面几节中将有更详细的叙述。 3 2 控制网络的介质访问 3 2 1e t h r e n e t ( c s m a c d ) e t h e m e t 使用c s m a c d 机制解决通信介质的争用。c s m a c d 协议由i e e e 8 0 2 3 网络标准指定，当节点有信息要发送时，节点首先侦听网络。如果网络忙，它 一直等到网络空闲：否则立刻发送。如果两个或更多的节点侦听到网络空闲并且同 时发送信息，这些发送节点的消息冲突并导致消息发送中断。当发送信息时，该节 塑主堡兰 ：型塑墼型墨堑垫查堑丝塞堕二堕墨塑! ! 旦 点也必须侦听消息的冲突。侦听到两个或更多的消息的冲突时，发送节点停止发送 并等待一个随机时间长度重新发送。这个随机时间的长度由标准二进制指数退避算 法决定：重新发送时间是在0 到( 2 一1 ) 个时间片内随机选择，这里i 表示节点检测 到的第i 次冲突，- 个时间片是消息往返所需要的最小时间。但是达到1 0 次冲突间 隔固定在最大1 0 2 3 个时间片上。1 6 次冲突后节点不再试图发送消息，并且报告给 微处理器发送失败。 图3 2 1 是e t h e m e t 帧格式。整个数据帧中系统的开销为2 6 个字节。数据帧的 大小在4 6 到1 5 0 0 字节之间。因为规定了有效帧从目标地址到校验和至少6 4 个字节 长( 包括前同步和开始分隔符是7 2 个字节) 。如果数据帧中的数据部分少于4 6 个字 节，就用填充符填入到数据帧中，使得该帧满足最小帧长的要求。要求达到最小帧 长有两个原因：第一、当接收装置检测到冲突，它就截断当前数据帧，这样网络上 就常常出现零散的位和帧，最小帧长要求可以把有效帧从网路上“垃圾帧”中区分 出来。第二、它保证节点在第一个位还没有到达网络的远端时不发送其它帧，否则 就会与其它帧发生冲突。对一个1 0 m b se t h e r n e t ，网路最大长度是2 5 0 0 m ，允许的 最小帧时间5 l ，2 胛。5 1 2 胛是在1 0 m b s 下传输6 4 个字节( 最小帧) 所需要的时间。 字节7i6620 一1 5 0 00 - 4 64 l 前同步始分隔符目标地址源地址数据长度数据填充符检验和 1 图3 2 ie t h e r n e t ( c s m a c d ) 帧格式 3 2 2c o n t r o l n e t ( t o k e n p a s s i n gb u s ) m a p ，p r o f i b u s 和c o n t r o l n e t 都是t o k e n p a s s i n gb u s 控制网络的典型例子。 因为在发送一帧消息之前最大的等待时间可以由令牌的循环时间获得，所以它们都 是有确定性时间延时上界的网络。令牌总线( i e e e8 0 2 4 ) 网络上的节点被安排成 了一个逻辑环，在c o n t r o l n e t 上的每个节点都知道它的前驱节点和后继节点。网络 运作过程中得到令牌的节点发送数据，它发完所有的数据或超过令牌持有时间才把 令牌传给网络上下一个逻辑后继节点。如果一个节点没有数据发送它直接把令牌传 给下一个后继节点。因为令牌是传给逻辑上的下一个节点，所以节点的物理位置并 不重要。持有令牌才可以发送数据，所以每次只有一个节点发送数据，数据帧不会 发生冲突。协议规定了对每个节点网络访问的最大时间，如果持有令牌的节点停了 或没有把令牌传给后继节点，协议规定重新产生令牌。节点也能在总线上动态地加 入或请求退出逻辑环。 堡主堡皇 ： 婴塑丝型墨堕垫查鳖壁垒堡二堕墨塑! ! 盟 c o n t r o l n e t 数据帧格式如图3 2 2 。整个数据帧中系统的开销是7 个字节，包括 前同步码、开始定界符、源m a ci d 、循环冗余校验( c r c ) 和结束定界符。数据 包帧( 称为l i n kp a c k e t 帧，简记为l p a c k e t s ) 可能包括几个l p a c k e t ，它包括大小、 控制、标签和数据段，整个数据包帧的大小是0 到5 1 0 个字节。各个目标地址指定 在标签段内，大小段指定了包含在各个l p a c k e t 中的字节数( 从3 到2 5 5 ) ，这个字 节数包括大小、控制、标签和数据段整个字节的数量。 字节2 i10 5 1 0 2i 卜琢丽开雨可了节_ ，。_ 叫卜、虿罕节叫 i i 大小 i 控制 j 标签 l 数据 i 字节 ii2 个以上0 - - 5 0 6 图3 2 2c o n t r o l n e t ( 令牌总线) 数据帧 c o n t r o l n e t 协议采用含蓄的令牌传递机制并且分配唯一的m a ci d ( 从1 到9 9 ) 给每一个节点。和通常的令牌总线一样每一个获得令牌的节点才能发送数据，但网 路上并没有真正的令牌在网上传递，而是网上的每个节点监听每个消息帧的源m a c l d 。在消息帧的最后，每一个节点把隐含的令牌寄存器接收的源m a ci d + 1 。如果 令牌寄存器不等于节点自己的m a ci d 那么该节点就不能发送消息。所有的节点的 寄存器中值都是相同，这样就避免了介质访问的冲突。如果一个节点没有数据发送， 它只发一个含有空l p a c k e t 段的消息叫做空帧。 c o n t r o l n e t 中令牌循环的长度叫做网络更新时间( n u t ) 或者叫令牌循环时间 ( t r t ) ，该长度分为三个主要部分：预定时间，未预定时间和安全带时间，如图3 2 3 所示。在n u t 的预定时间部分每个节点能够通过获得从0 到s 的含蓄令牌发送实时 性要求高的或预定的数据。在n u t 未预定时间部分节点0 到u 用循环方法共享介 质，发送实时性要求较低的数据直到未预定时间段结束。当到达安全带时间段，所 有的节点停止发送，只有m a ci d 最低的节点( 通常称为“调节器”) 能够发送一个 调节帧，这个调节帧用来让每一个节点中所有定时器的同步并且公布n u t 、节点时 间、s 、u 等等关键连接参数。如果在两个连续的n u t 之间没有侦听到“调节帧”， 最小的m a c i d 将在第三个n u ，r 的安全带开始发送“调节帧”。另外，如果“调节 硕士论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 器，节点发现有比它更小的m a ci d 的其它节点，它立刻取消自己的“调节器”角 色。 。，。，+ 时间 j33 1 l i 222 333 444 _ l 一 蔓 ： l ； 宁sii j8 基i g i 99 i 1 0 旦 r ；1 0 p - - ；一 ! 1 1r ； ： 1 2 1 网络更新时间( n u t l 7 77 预定未预定安全带 图3 2 3 令牌总线网络更新时间 3 2 3d e v i e e n e t ( c a nb u s ) c a n 是从应用在汽车工业的串行通信协议发展来的，它也有能力在其它有严格 时间要求的工业应用中提供很好的性能。c a n 协议对数据量小的信息进行了优化处 理，使用c s m a a m p ( 信息优先级仲裁) 介质访问方法。因此，协议是面向消息 的，每个消息有规定的优先级，用来仲裁防止对介质的同时访问。发送的数据位流 以开始位同步并在紧接着的消息标识符中完成仲裁，逻辑“0 ”比逻辑“1 ”高。一 个想发送消息的节点要等到网络空闲时才能发送，发送消息开始逐位地发送消息标 识符。在仲裁过程中解决访问总线冲突问题，仲裁场在每帧的开始部分。因此，如 果同时有两个设备想发送消息，它们首先连续发送消息接着侦听网络。如果一方收 到与自己发出的不同的位，它就失去了继续发送消息的权利，另外一方就赢得介质 访问权，这样数据的发送就不会发生中断。 在基于c a n 的网络中，使用消息帧发送和接收数据，数据从发送节点送到一个 或多个节点。发送的数据可以不包含消息源或目标地址。每一个消息由一个标识符 标记，该标识符在网络上是唯一的。在网络上的所有节点都收到消息，接收或不接 收消息是由标识符掩码的设置决定，这种运作模式称为多点传送。 在器件级上，d e v i c e n e t 是成本相对较低的通信连接网络。d e v i c e n e t 基于带额 外应用和物理层规定标准的c a n 协议。 d e v i c e n e t 的帧格式如图3 2 4 所示。整个消息帧中系统的开销是4 7 位，其中包 硕士论文 网络控制系统动态特性建模、仿真和分析 括帧开始( s o f ) ，仲裁场( 1 1 位标识符) ，控制场，c r c 场，应答场( a c k ) ，帧 结束( e o f ) 和中止( i n t ) 段。数据段大小为0 到8 个字节。d e v i c e n e t 协议使用 仲裁场提供源和目标的地址以及消息的优先级。 删 络 空 闲 1r 帧应结 由 网 开答束止络 始段段窄 蚤o f l 仲裁场 。控制场。 数据场 c r c g豳 i i 位标识符p ik 场 数据( 0 - - 8 个字节： 升 刀 远程发送请求位( r t r ) r l r 0 分隔符分隔符 r l ，r o 是两位保留位，d l c 是数据长度码 图3 2 4d e v i c e n e t ( 标准c a n 格式) 消息帧格式 3 3 三种控制网络协议比较分析| 1 0 i 1 5 i 3 3 1e t h e r n e t 优缺点 优点：c s m a c d 因为低的介质访问开销，e t h e m e t 对网络的运作使用简单的算 法，在低负载的情况下几乎没有延时。和令牌总线和令牌环协议比起来它没有使用 通信的带宽获得对网络的访问。 缺点：e t h e r n e t 是一个非确定性的协议并且不支持任何消息的优先级。在高负载 的情况下，消息的冲突相当严重，大大影响数据的吞吐量增加了时间延时，且延时 可能没有上界a e t h e r n e t 受这样的影响在于标准b e b 算法，节点传输数据时会独占 网络传输媒介，而不管其它节点是否在等待对介