（电气工程专业论文）以太网在控制网络中的性能分析及应用.pdf

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t i m ea n ds t a b i l i t yo fe t h e r n e th a v eb e e n a l li m p o r t a n tf i e l do fc o n t r o ln e t w o r k s i nt h ec o n t e x to fn e t w o r k e dc o n t r o lf o ri n d u c t i o nm o t o r , b yu s i n gt h en e t w o r k s i m u l a t i o ns o f - t v c a r en s - 2 ，s o m en e t w o r km o d e l sb a s e do nu d pa r ec o n s t r u c t e d ，a n d t h e ns o m er e l a t e de x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e d s o m ea n a l y s i st h a ti sc a u s e db yq u e u e m a n a g e m e n tm e c h a n i s m sa n dn e t w o r kc o n g e s t i o ni sd o n e f i n a l l y , an e wu d p i sp l a n e d t h a ti n c l u d e sc o n g e s t i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma n dt e s t e di nn s - 2 o nt h i sb a s i s ，t c p i pi se m b e d d e di nn e t w o r kn o d e sa st h es o f t w a r e s o m ec o n t r o l n o d e s 、析t he t h e m e ta r ed e s i g n e d a n dt h e n , an e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mo fi n d u c t i o n m o t o r si sc o n s t r u c t e d t 1 1 ef u n c t i o n so ft h i ss y s t e mi n c l u d e s ：r o t a t es p e e dr e g u l a t i o n , s t a t ef o rm o t o r , r e m o t em o n i t o ra n di n f o r m a t i o nd i s p l a y 1 1 1 em e t h o do fn s 一2s i m u l a t i o nc a np r o v i d eo n ec o n t r o l l a b l ea n dr e p l i c a b l en e t w o r k e n v i r o n m e n t i ti sa ni m p o r t a n tw a yf o rc o n t r o ln e t w o r k sd e s i g n ，t e s ta n dp r o t o c o l a n a l y s i s s o m es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t sr e s u l ts h o w st h a tp e r f o r m a n c eo fe t h e r n e t u s e di nc o n t r o ln e t w o r ko fi n d u c t i o nm o t o ri sv e r i f i e d i th a sb e e nc o m p l i s h e dt h a th i g h s p e e dd a t at r a n s f o r m sb e t w e e np ca n dn e t w o r kn o d e s n l es y s t e mw i l lp r o v i d ea n e n v i r o n m e n tf o rs e n s o rn e t w o r k sr e s e a r c h k e y w o r d s ：n s 一2 ；d e l a y ；j i t t e r ；t h r o u g h p u t ；u d p ；t c p ；i n d u c t i o nm o t o r c l a s s n o ：t m 9 2 1 2 v 目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t v l 引言1 1 1课题研究背景。1 1 2国内外研究现状2 1 2 1 控制网络发展现状2 1 2 2 工业以太网通信存在的问题3 1 2 3 以太网控制策略研究。5 1 2 4 网络通信研究方法7 1 2 5 感应电机的p w m 调制9 1 3课题的研究内容及技术路线lo 2n s 2 网络仿真机制及协议分析1 l 2 1n s 2 仿真机制1 1 2 1 1n s 2 仿真流程1 2 2 1 2n s 2 离散事件调度机制。15 2 1 3 定时器工作机制一l7 2 2网络通信协议19 2 2 1 用户数据报协议u d p 2 0 2 2 2 传输控制协议t c p 。2 2 2 2 3 网际协议i p 2 2 2 2 4 地址解析协议a r p 2 3 2 3本章小结2 3 3 以太网通信实时性仿真分析2 5 3 1感应电机控制网络结构2 5 3 1 1 感应电机控制网络时延模型2 6 3 1 2 网络节点驱动方式2 7 3 2上位机与多控制器通信2 7 3 2 1 不同长度控制指令的通信时延3 0 3 2 2 网络负载对控制指令通信实时性的影响3 4 3 2 3 网络拥塞时控制指令的通信性能3 6 3 3汇聚节点与上位机的通信3 8 3 3 1 网络的最大汇聚节点数分析3 9 3 4具有拥塞控制的改进u d p 设计4 l 3 4 1 程序设计4 1 北京交通大学硕士学位论文 3 4 2 改进的u d p 仿真实验4 3 3 5本章小结4 4 4 感应电机网络控制系统设计4 7 4 1感应电机网络控制系统总体架构4 7 4 2感应电机调速系统4 8 4 2 1 控制器设计。4 8 4 2 2 变频器电路。5 2 4 2 3 交直流机组5 4 4 3感应电机状态检测系统5 5 4 3 1 电流检测5 5 4 3 2 转速、转矩检测5 6 4 3 3 温度检测5 7 4 4汇聚节点设计。5 7 4 5系统软件设计。5 8 4 5 1u d p 通信软件设计5 8 4 5 2s v p w m 软件实现6 1 4 5 3 控制与展示界面。6 2 5 网络通信实验及分析6 5 5 1上位机与控制器通信分析6 5 5 1 1m 冲请求与应答6 6 5 1 2u d p 数据报的接收6 8 5 2汇聚节点与上位机通信分析7 0 5 3上位机与远程监控系统通信实验7 1 6 结论与展望7 3 6 1 总结7 3 6 2展望7 3 参考文献7 5 附录a 7 9 作者简历8 1 独创性声明8 3 学位论文数据集8 5 1 引言 随着计算机网络技术的迅速发展，以及工业生产对控制技术水平要求的不断 提高，计算机网络技术迅速向牵引控制领域渗透，使得控制系统结构向网络化、 开放性方向发展。以太网作为在办公自动化领域应用成熟的网络技术，在工业自 动化和过程控制领域也得到越来越多的应用，成为牵引控制领域的热门技术1 1 。本 章主要介绍以太网控制技术国内外发展现状和控制网络研究方法。 1 1 课题研究背景 随着轨道交通跨越式建设，高速、重载铁路和城市轨道交通已成为轨道交通 主要发展的领域。在轨道交通运行组织中，安全性成为首要问题。而安全又受到 多种因素的影响，其中牵引设备安全运行是轨道交通的重要保证。为实现对牵引 设备安全检测的研究，在实验室环境下建立一个从信息获取层面对轨道交通运营 安全状态进行检测和监控的平台，是保障列车安全运营的重要环节。为此，本课 题依托北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室平台建设项目，以轨道 交通牵引设备安全运行状态获取为背景开发试验平台，通过牵引设备模拟、传感 器部署、网络仿真、数据通信与展示五个步骤，实现对牵引设备安全运行状态的 软测量。 工业以太网技术的快速发展，使得基于以太网的感应电机控制网络研究逐渐展 开。以太网具有传输速度高、低功耗、易于安装和兼容性好等方面的优势，它支 持几乎所有流行的网络协议。目前，以太网己逐渐应用于控制系统中，有效解决 工业现场的温度、压力等各种工艺参数的网络化控制和信息管理的问题。而在嵌 入式计算、计算机网络测控等技术的支持下，将运动控制系统、伺服控制、变频 调速控制中的各类电机执行机构引入网络控制系统己成为电机控制领域研究的热 点问题之一。电机网络化控制可以在操作上摆脱安装空间的限制，并能解决从工 业现场设备层到控制层、管理层、决策层等各个层次的信息透明交换问题，实现 综合自动化【j 。 本课题将感应电机调速系统作为监测对象，模拟列车牵引设备，选择优化的 逆变器s v p w m 调制策略做为感应电机的调速控制方案；将t c p i p 协议栈中通信实 时性较高的u d p 应用到控制网络中，模拟列车总线；部署了各类传感器对感应电 机运行状态进行检测；并设计了上位机和远程监控系统的展示界面，以模拟车厢 和司机室显示和操作平台。 北京交通大学硕士学位论文 1 2国内外研究现状 1 2 1 控制网络发展现状 目前的控制网络通常可分为三层结构：管理层、控制层和设备层。如：美国 科动控制公司的开环控制网络( 管理层以太网，控制层a r c n e t ，设备层c a n 总 线) 、罗克韦尔自动化公司的无缝网络( 管理层用以太网，控制层用控制网，设备 层用设备网或f f 总线) 【3 1 。如图1 - 1 所示： c e uc o n t r o l l e r h n i e q u i p m e n tj ir o b o t ， ； 图卜1 传统控制网络架构 f i g u r el 一1t h es t r u c t u r eo f t r a d i t i o n a lc o n t r o ln e t w o r k s 传统控制网络的信息层多采用以太网，控制层和设备层一般采用现场总线或 其他专用网络。随着工业以太网技术的发展，以太网已渗透到控制层和设备层。 控制层采用以太网架构后，控制器突破了传统网络架构限制，布局更加自由。在 工业以太网结构中，以太网作为连接智能控制模块的系统总线，其关键技术是如 何在现场级控制模块中实现t c p i p 网络通信协议。随着通信技术和电子集成技术 的发展，在控制节点中嵌入t c p i p 协议已经得到应用。 商业以太网由美国施乐( x e r o x ) 公司于1 9 7 5 年研制成功，经过数字设备公 司( d g i t a le q u i p m e n tc o r p ) 和i n t e l 公司联合扩展，于1 9 8 2 年公布的以太网规范， 后在此基础上制定了i e e e 8 0 2 3 的技术规范。以太网络使用c s m a c d ( c a r f i e r s 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 ，载波监听多路访问及冲突检测技术) 技术，其定义了在局域网( l o c a la r e an e t w o r k ，l a n ) 中采用的电缆类型和信号 处理方法【4 引。 一般认为以太网的实际负载仅能达到信道带宽的1 3 ，否则将会因几个节点试 图同用信道发生碰撞从而引起通信阻塞现象，严重时甚至导致系统无法正常工作。 因此认为以太网无法适合对实时性要求比较高的场合，实际上也不可一概而论， 在特定的条件，并采取一定的措施，是能满足实时领域的。对于网络节点较少， 2 在流量较小的情况下，发生碰撞的概率就较低，而且，即使发生碰撞，也能在较 短的时间内经协调后来完成通信任务，并不会发生严重的时延现象。而且实时本 身就是相对概念，在具体的实践中，只要能将时延控制在一个较小的范围，并保 证不经常发生丢包现象，并在通信双方采用一定的纠错确认机制，就不会产生明 显的问题【5 】。而且随着网络带宽的不断增大，千兆乃至万兆以上以太网的出现，时 延问题得到进一步的解决。目前，采用t c p o p 嵌入式网络控制系统已经提出一些 解决方案，嵌入式h l t e m e t ，片上系统集成( s o c ，s y s t e mo nc m p ) 已成为当前研 究的热点【5 6 1 。 以太网技术走向牵引控制领域并迅速发展，主要是因为工业自动化系统不断 向分散化、智能化的实时控制方向发展，其中通信已成为关键技术，用户对统一 的通信协议和网络的要求日益迫切；另一方面，a n e t 和1 1 1 t e m e t 等信息技术的 飞速发展，要求企业从现场控制层到管理层能够实现全面的无缝集成，并提供一 个开放的基础构架。同时随着快速以太网与交换式以太网技术的发展，给解决以 太网的非确定性问题带来了新的契机。首先，以太网的通信速率从1 0 m 增大到如 今的1 0 0 0 m ，1 0 g ，使得网络碰撞机率大大下降。其次，交换式以太网的应用使各 端口之间数据碰撞限制在本网段。再次，全双工通信又使接收数据和发送数据不 再发生冲突。目前，实时以太网( r t w ) 已经在传动控制系统中得到了应用，如 p r o f i n e tv 2 v 3 和m o d b m i d a 掣7 1 。 在感应电机控制网络中采用以太网技术，有助于控制网络与互联网的融合， 实现e t l l e m e t 的e 网到底，使得控制网络无需经过网关转换便可直接连至互联网， 使测控节点有条件成为互联网上的一员，在控制器，p l c ，测量变送器，执行器， i o 卡等设备中嵌入以太网接口，嵌入t c p i p 协议，嵌入w e bs e v e r 便可形成支持 以太网，t c p i p 协议和w e b 服务器的i i l t e m e t 现场节点，在应用层协议尚未统一 的环境下，借助通用的网络浏览器实现对生产现场的监测与控制，进而实现对现 场设备的远程监控【8 9 】。 感应电机控制系统是典型的硬实时控制系统，要求控制器能及时响应外部发 生的随机事件，并以足够快的速度完成事件处理，因此，感应电机控制系统的通 信方法需要有严时间特性。目前，工业以太网在硬实时控制的应用中还存在一些 问题，如通信的确定性和实时性，网络的稳定性和可靠性掣1 u 】。 1 2 2工业以太网通信存在的问题 工业以太网控制系统是一种分布式时间系统，具有严实时性要求，将网络通 信集成到控制系统中取代传统的计算机控制系统中点对点的连接具有很多优点， 但是也增加了控制系统分析和设计的复杂性1 1 】。因此，以太网控制系统必须解决 北京交通人学硕士学位论文 的主要问题之一，就是在网络带宽有限的情况下如何保证控制系统的实时性和稳 定性。目前，以太网控制系统主要存在以下问题：网络时延；数据的多包传送； 数据丢失；节点的驱动方式；时延抖动；硬件支持等。 1 网络诱导时延( n e t w o r k i n d u c ed e l a y ) 在以太网控制系统中，信息的传送要分时占用网络通信线路，网络的承载能 力和通信带宽有限，必然造成信息的冲撞、重传等现象的发生，采样、量化、编 码与解码、等待、传递的时间使得控制系统的信息在传输时产生时延，称之为网 络诱导时延。以太网控制系统中存在多种不同性质的时延( 常数、有界、随机时变 等) 1 2 o 网络时延为发送时延、传播时延和处理时延总和，考虑的是数据包从源节 点开始发送到目的节点接收的时间间隔。 从控制的角度看，控制系统的时延将使系统相位滞后，降低控制系统的性能， 例如使系统的上升时间增大、相应滞后等，导致系统稳定区域显著减小，甚至导 致系统不稳定。从调度的角度来看，时延将使信息不能准时到达，甚至会产生多 米诺效应。因此，在系统设计时不考虑这些因素，就达不到期望的控制要求。 2 单包传输( o n e p a c k e tt r a n s m i s s i o n ) 和多包传输( m u l t i p l e p a c k e t t r a n s m i s s i o n ) 单包传输是指传感器( 或控制器) 等系统部件的待发数据被封装于一个数据 包中同时发送，包交换网络中帧的大小是有限制的，多包传输是指传感器( 或控 制器) 等系统部件的待发数据被分成多个数据包，分时发送，因而存在无法同时 到达控制器( 或执行器) 的问题。 之所以采用多包传送的是由于数据分组大小的限制，报文分组交换网络在一 个数据分组中只能携带有限的数据，这就使得数量大的数据不得不分为多个包进 行传送。另外，网络控制系统中传感器和控制器常分布在较大的物理区域，不可 能把数据放入一个包中。 3 数据包丢失( p a c k e td r o p o u t s ) 在以太网中，网络的拥塞、连接中断等都可能导致数据包丢失。虽然大多数 网络协议都有重发机制，但数据仅在允许重发的时限内重发，一旦超出这个时限， 将发生丢包，这将造成数据的丢失。然而，对实时反馈控制信息( 例如，测量值 和控制信号) 来讲丢弃过时的数据，始终发送最新的数据，不进行信息的重发， 这样更有利于最新信息的利用，保证信息的实时性。 可以把丢包看作是随机或确定性的现象，从而建立相应的数学模型，对丢包 现象作定量分析。最简单的随机模型被看作是一个伯努利方程；使用有限状态马 尔科夫链可以建立关联包丢失的数学模型；在连续时间系统中，应用泊松分布可 以建立随机包丢失模型1 31 4 1 。 4 4 节点的驱动方式( d r i v e n ) 节点的工作方式可以分为时间驱动t d ( t i m e - d r i v e n ) 和事件驱动e d ( e v e n t - d riv e n ) 两种。 时间驱动是指在时钟的作用下定时取得采样信号，如传感器节点通常采用定 长时间采样。而事件驱动即用事件一“控制信号到达”，来驱动控制器执行控制算 法产生决策信息，如控制器在收到上位机的控制命令后，立即响应。通常如果环 境中的信号交换方式未知，而且交换频繁，此时采用e d 会取得更好的效果；反之， 如果环境中的信号交换周期性很强，按时间有规律地传送，那么采用t d 取得的效 果会更好1 1 5 1 。 5 抖动( j i t t e r ) 抖动指“在任何特定的时间间隔内，与时间相关的、突然的、乱真的变化 ， 是实时系统中普遍存在的现象。抖动依赖于时钟的精确性、调度算法和计算机硬 件结构。从控制的角度看，抖动表现为：控制周期的抖动、延时抖动、采样抖动； 从调度的角度看，抖动表现为：输入抖动、输出抖动、队列抖动、截止期抖动【1 6 1 。 以上问题中，网络时延、抖动、数据丢包均为对网络实时性的描述，是感应 电机控制网络的重要指标。其中网络时延是控制网络研究的重点问题，从控制的 角度来看，网络时延的存在会降低系统性能，甚至会引起系统的不稳定；从调度的角 度来看，会使信息不能按时到达，产生网络拥塞和丢包现象，甚至产生多米诺效应 1 7 1 o 目前，国内外对网络时延有两类测量方法。一类是基于存在网络的直接测量， 如i c m p 的p i n g 工具；u d p 或t c p 数据包的时延测量；带g p s 时间戳数据包的 测量等【1 8 】，但由于网络状况的不可复现，以及改变网络布局的成本，直接测量方 法不适用于控制网络的设计分析，也不能对网络通信的调度和管理方案作出评价； 另一类是基于一些算法的预测时延模型，如基于常数、随机独立、隐马氏链的时 延诱导模型等【1 9 】，该方法针对性强，但难于对比分析网络变化负载下的实时性。 因此从网络自身出发，建立基于控制网络结构和网络事件的仿真模型，从而得到 该模型的时延、抖动、吞吐量、丢包率等特征，同时对网络的端到端拥塞控制策 略性能进行分析，是控制网络研究的重要方向。 1 2 3以太网控制策略研究 针对以太网时延问题和控制性能的要求，许多研究者提出了以太网通信的各 种控制策略。目前，对网络控制系统的研究形成2 个主要方向：源于计算机网络 技术，以保持信息传输和通信服务质量( q u a l i t yo fs e r v e ，q o s ) 的研究方法和源 于自动控制技术，以保证满足系统动态静态性能( q u a l i t yo fp e r f o r m a n c e ，o o p ) 北京交通大学硕士学位论文 的研究方法。通过采用优化的网络协议和控制策略对网络时延等问题进行补偿， 使控制系统仍能保持稳定或满足一定的期望指标。下面从控制策略和调度算法两 个方面讨论近年来网络控制系统研究的主要问题【2 02 1 j 。 l 增广确定离散时间模型法 1 9 8 8 年h a l e v i 和r a y 提出了一种对周期延时网络的增广确定离散时间模型方 法用于控制线性被控对象【捌。利用系统当前状态以及延迟输出、延迟控制信息构 成一新的状态向量，这样就把延迟信息包台在新的增广对象里面，然后通过对该 增广对象的分析来进行控制器的分析和设计。在1 9 9 0 年，l i o u 和r a y 把该方法修 改为可处理传感器和控制器采样速率不一致的情况 2 3 j 。这种方法的主要思想是联 合线性被控对象模型和线性控制器的动态方程得到增广的状态空间方程。该方法 中也同时考虑了采样拒绝( 采样时间大于延迟时间) 和空采样( 即采样时间小于延 迟时间) 的情况。r k r t o l i c a 等人将随机时延引入状态空间，得到了离散时变增广 状态空间的系统模型【2 4 1 ，进而将其描述为能在所有可能的定常系统结构间转换的 混合系统模型，并以m a r k o v 链描述其转换过程。在此基础上，作者运用随机 l y a p u n o v 函数和确定性结构扰动两种方法得到了具有随机网络时延的线性定常系 统均方稳定的充分必要条件【2 5 】。 2 缓冲队列方法 缓冲队列法的优点是可以将带有随机时变时延的系统转换为定常时延系统， 因而系统的控制变得简单。但是由于观测器和预估器的性能依赖于模型准确性， 因而这种方法的实施要求获得对象的精确模型。同时队列的使用也在系统中引入 了额外的时延，因而获得的控制性能是保守的1 2 6 j 。 3 最优随机控制方法 1 9 9 8 年n i i s o n 提出用最优随机控制方法对随机延时网络n c s 进行控制b7 1 。在 假设延迟小于采样周期的前提下，基于离散域进一步将网络延迟建模为恒定延迟、 独立随机延迟以及利用m a r k o v 链建模的随机网络延迟等，把n c s 中的随机网络延 迟影响作为一个线性二次型的高斯问题( l q g ) 来处理。该方法中也指出了时间戳 ( t i m e - s t a m p i n g ) 消息的重要性。最优随机控制方法能够提供比基于预估器的确定 性延迟补偿方法更好的性能。 4 摄动法 1 9 9 9 年w l v s h ，b e l d i m a n ，y e 等人用非线性摄动理论在假设没有观测噪声的情 况下，把n c s 中的网络延时影响描述为连续时间系统的摄动，这种方法应用在传 感器到控制器之间存在周期性和随机性网络延迟n c s 中。控制环路模型由一个非 线性控制器和一个非线性设备构成，建成了系统状态方程并推导出使系统稳定的 延迟边界。但局限于优先权网络，即对数据传输可以指定不同的优先权并通过优 6 先权来调度算法来管理。 5 鲁棒控制法 2 0 0 0 年g o k t a s 在频域中用鲁棒控制理论设计网络控制器，这种方法的主要优 点是不需要预先知道有关网络延时的概率分布，把网络延时，都看作乘性摄动。 文献 2 7 】从连续控制角度出发，将延时环节转化为不确定块，并用m a t l a b 的分析 和综合工具箱设计了鲁棒控制器，使得闭环系统具有较好的抗干扰能力。于之训 将时延的不确定性转换为系统状态方程系数矩阵的不确定性，将网络化控制系统 的状态向量扩张为增广状态向量，利用所提出的基于h o o 和u 的鲁棒控制方法， 通过状态的静态反馈控制，使得系统在没有外界未知扰动影响的情况下，实现闭 环系统二次稳定；在系统存在外界未知扰动影响时，实现闭环系统具有较好的干 扰抑制作用【2 8 】。此外，也有研究者提出通过鲁棒方法对网络不定长时延进行补偿 【2 9 】 o 与现场总线通信技术相比，以太网具有应用广泛、价格低、通信速率高、商 业应用技术成熟等优点，已在工业综合自动化系统的信息层和控制层得到广泛应 用，并呈现向下延伸直接应用于牵引控制现场的趋势。未来工业以太网将在工业 企业综合自动化系统中的现场设备之间的互连和信息集成中发挥越来越重要的作 用。总的来说，工业以太网技术的发展趋势体现在以下两个方面【3 0 】： 1 ) 工业以太网与现场总线相结合 工业以太网技术的研究只是近几年才引起国内外工控专家的关注。而现场总 线经过十几年的发展，已形成了一定的市场规模。就目前而言，全面代替现场总 线还存在一些问题，需要进一步深入研究。因此，近一段时间内，工业以太网技 术的发展将与现场总线相结合。这方面比较典型的应用有法国施耐德公司推出“透 明工厂 的概念，即将工厂的商务网、车间的制造网络和现场级的仪表、设备网 络构成畅通的透明网络。 2 1 工业以太网直接应用于现场设备己成大势所趋 以太网通信速率的提高、全双工通信以及交换技术的发展，使得太网通信确 定性的解决提供了技术基础，从而为以太网直接应用于工业现场设备间通信提供 了技术可能。为此，国际电工委员会i e c 正着手起草实时以太网( r e a l t i m ee t h e m e t , r t e ) 标准，旨在推动以太网技术在牵引控制领域的全面应用。针对这种形势，我 国的一些科研院所在国家“8 6 3 计划的支持下，开展了e p a ( e t h e m e tf o rp l a n t a u t o m a t i o n ) 技术的研究，重点是研究以太网应用于工业现场设备间通信的关键技 术，并取得了重大突破。 1 2 4网络通信研究方法 7 北京交通大学硕士学位论文 随着网络通信技术的飞速发展，针对各种网络通信的研究方法不断创新，研 究水平不断提高术。目前对网络通信的研究可以分为以下三种方式【3 l j ： 一理论研究：在理论和协议层面对网络通信技术或系统进行分析研究，如采用数 学建模、协议分析、状态机、集合论以及概率统计等多种理论分析手段和方法对 通信网络及其算法、协议、网络性能等各方面进行研究。 二网络模拟：即计算机模拟仿真方法，是指通过计算机软件模拟真实网络进行试 验研究的方法，也称为虚拟网络测试平台( v i r t u a ln e t w o r kt e s t b e d ) 。主流的 网络模拟软件包括：0 p n e t ，n s - 2 ，0 m n e t ，q u a l n e t 等。其中，n s 一2 由于其开源代码 和良好的扩展性，成为网络研究领域应用最为广泛的网络模拟软件之一。各软件 功能对照如表1 - 1 所示： 表卜1 主要网络模拟软件对照 t a b l e l 1n e t w o r ks i m u l a t i o ns o f t w a r ec o n t r a s t 软件o p n e tn s 2o 心陋t 卜+ q u a l n e t 系统 w i n d o w sl i n u x w i n d o w s 舢n i xw i n d o w s 支持语言p r o t o - cc + 卜o t c lc 十n e dc c + + p l a r s e c 主要应用场合主要用于网络有线、无线网络无线网络信道模无线通信 q o s 评价 模拟；协议模拟； 拟；协议模拟；队 调度算法仿真。列网络模拟。 特点 具有网络设备模面向o s i 模型；面向o s i 模型；可用于无线通信系 型库；较为便捷良好的扩展性：与v c + + 无缝结统，仿真速度快， 的操作界面：混广泛的用户支合；用于大规模支持：大规模网 合建模；具有与持；数据包级的w s n ( 无线传感络、标准分层模 真实网络的接口详细仿真器网络) 仿真。型、批量模拟。 三试验网方法：采用建立实验室测试网络、网络测试平台和小规模商用试验网络 的方式对网络进行实战检验。如第三代移动通信网，各大网络设备提供商和运营 商在不同城市建有不同规模的试验网络，并进行一定量的放号测试，使广大用户 参与到网络的测试中，也使得网络设备和系统受到实际应用环境的检验。 以上三种方法各有利弊，相辅相成并各有侧重。理论研究适用于早期研究与 设计阶段，对新算法和新技术进行理论准备，除了人力和知识，几乎不需要额外 成本；试验网方法是网络和系统在投入实际应用前的一次系统演练，能够发现网 络设计与用户需求之间的相合度以及检验网络设计使用的效用和性能。该方法建 设成本很高，要求技术和设备开发相对成熟，网络系统基本成型，主要是对业务 和系统稳定性的检验；而网络模拟由于采用计算机软件，使得研究人员能够研究 大规模网络和学习新协议新算法的设计和实现，并能够实现对网络的检验和改进。 8 此外，还可以在各种新老系统和算法之间进行比较而不必花费巨资建立多个实际 系统。 在本课题中需要对控制网络通信进行扩展研究，而不仅限于搭建的最小系统， 因此网络模拟是较为合适的研究方法，其优点主要体现在以下几方面 3 1 1 ： 1 成本低：与试验网方法相比，网络设备、构件和系统均通过计算机软件模拟 实现，实现成本低廉。 2 灵活可靠、可重构：由于采用软件实现，它的使用、配置和改变更加灵活可 靠，对大规模网络可进行重新构建。 3 避重就轻：可以通过软件的方法，选择在研究中感兴趣的方面，而把其他一 些不相干的内容忽略，这样更有利于对兴趣点的深入研究，提高研究效率。 4 提供研究大规模网络的机会：大规模网络不一定每人都有机会参与建设和研 究，而网络模拟平台为科研人员提供了研究大规模网络的机会。 5 易于比较：由于可以通过软件配置建立、重构各种网络模型，实现各种不同 的协议和算法，这使得研究人员能够轻松地比较这些不同模型、协议和算法 之间性能等各方面的优劣。 因此本课题采用了网络模拟软件n s 一2 对感应电机控制网络进行研究。 1 2 5感应电机的p w m 调制 在感应电机网络控制系统中，除了网络通信方式外，还有一个重要环节是逆 变器调制策略。目前主流的调制方法都是基于脉冲宽度调制( p w m ) 的思想，p w m 调制方法的选取直接影响到变频器功率器件的开关损耗、感应电机的转矩特性、 谐波损耗以及设备的电磁兼容性能，是系统稳定、可靠运行的重要因素。因此， 本课题的设计中也充分考虑了感应电机的p w m 调制方案，目的是实现一种控制效 率高、谐波损耗小的的p w m 调制方法。 近年来，随着数字处理器( d s p ) 的发展，基于p w m 的数字化控制策略也不 断涌现，目前已得到实际应用的p w m 控制方案就有十几种。从最初追求电压波形 的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再 到消除噪声等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断完善和创新的过程。 变频器p w m 调制主要有正弦波脉冲宽度调制( s p w m ) 和空间矢量脉冲宽度 调制( s v p w m ) 两种。其中s v p w m 技术最早由日本g i f u 大学的y o s h i h i r om u r a i 教授提出，随后受到业界研究人员的高度重视。该技术使用独特的矢量调制方式， 从电动机的角度出发，以期使感应电机获得幅值恒定的圆形磁场( 正弦磁通) 。它 以电动机的理想磁通圆为基准，使得逆变器不同开关模式产生的实际磁通逼近基 准圆磁通，由比较结果来决定开关器件的状态。与s p w m 相比，s v p w m 调制方 9 北京交通大学硕士学位论文 法具有直流侧电压利用率高、谐波特性好和易于数字化实现的优点，得到越来越 广泛的应用【3 13 2 1 。 在课题的设计中，对感应电机的调速方案进行了分析，参考了相关的分析资 料，从s v p w m 多种控制方案中，选择了不连续s v p w m 感应电机速度调制的方 案。 1 3课题的研究内容及技术路线 本课题依托于“牵引设备安全状态获取传感器网络实验平台 ，主要完成了该 平台的规划、设计及实现工作，主要包括以下工作内容： 采用n s 2 仿真分析的方法，建立控制网络模型，并设计相关实验，对感 应电机控制网络的实时性和稳定性进行分析。针对u d p 通信可能引发的 网络拥塞问题，设计了一种具有拥塞控制机制的改进u d p 协议，并在n s 2 环境进行了测试。 完成具有以太网通信功能的网络节点设计，包括嵌入u d p 协议的控制器、 汇聚节点，上位机的l a b v i e w 监控通信界面。 完成感应电机调速系统的搭建及调试，包括变频器、感应电动机、直流发 电机、灯箱等。 搭建