交換以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯交換以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：本文針對(duì)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)際倒立擺對(duì)象的起擺與鎮(zhèn)定問題，研究分析了普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在交換以太網(wǎng)環(huán)境下，倒立擺系統(tǒng)的控制性能得到較大的改善。

1引言

近年來，隨著控制系統(tǒng)的日益發(fā)展，大量的分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)被應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)控制領(lǐng)域，控制器、傳感器以及執(zhí)行器在空間上分布越來越趨向分散化，而對(duì)于信息資源共享能力，及控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性的要求卻逐步提高，控制系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)集成化、分布化、高靈活性的發(fā)展趨勢。應(yīng)運(yùn)而生的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正是日益完善的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與控制理論相融合的產(chǎn)物;在為傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機(jī)協(xié)作等方面注入新的內(nèi)涵的同時(shí)，帶來了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

通常研究的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）具有如下的特點(diǎn)：信息在控制系統(tǒng)各單元間通過共用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換;高效的信息共享和數(shù)據(jù)交換;少量的線路連接以及槽架搭建;便捷的系統(tǒng)維護(hù)和故障診斷等。但是由于網(wǎng)絡(luò)的介入，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中顯露了很多不同于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的新問題，主要表現(xiàn)在：信息流的傳輸延遲問題;由于網(wǎng)絡(luò)堵塞或傳輸中斷引起的時(shí)序錯(cuò)亂、數(shù)據(jù)包丟失問題。針對(duì)這兩個(gè)問題，目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，采用了很多不同的網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)處理算法，如CAN、Ethernet、TDMA、退避算法等。

近兩年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交換以太網(wǎng)技術(shù)得到了進(jìn)一步的普及，相對(duì)于普通以太網(wǎng)技術(shù)而言，其性價(jià)比近年來得到了大幅度提高。下面本文針對(duì)普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)，這兩種目前主要的網(wǎng)絡(luò)模型，比較了它們對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的影響。

2網(wǎng)絡(luò)模型分析

本節(jié)主要說明了普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)傳輸原理，并進(jìn)行了簡要的比較。

①普通以太網(wǎng)

此類網(wǎng)絡(luò)采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)結(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)包前需要偵聽傳輸媒介是否空閑，如果空閑則發(fā)送，否則等待一段時(shí)間τ（μs），再次檢測，以判斷是否繼續(xù)等待;等待時(shí)間隨等待次數(shù)指數(shù)增長。如果兩結(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送則產(chǎn)生沖突，則在傳輸媒介上發(fā)送沖突信號(hào)并等待。如果等待次數(shù)超過一個(gè)預(yù)先設(shè)定值，則此次發(fā)送失敗，有可能是網(wǎng)絡(luò)故障。由此過程可知，普通以太網(wǎng)適用于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較低情況下的數(shù)據(jù)傳輸，且數(shù)據(jù)延時(shí)較長;對(duì)于高負(fù)載、實(shí)時(shí)性高的場合，此類網(wǎng)絡(luò)模型一般不能滿足數(shù)據(jù)傳輸所要求的性能。

②交換以太網(wǎng)

相對(duì)于普通以太網(wǎng)所用的集線器（HUB）而言，交換以太網(wǎng)在集線器中引入了數(shù)據(jù)交換機(jī)制，利用存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)克服了普通以太網(wǎng)傳輸實(shí)時(shí)性差，等待時(shí)間長的缺點(diǎn)。此類設(shè)備在外形上類似于集線器，但在內(nèi)部電路中增加了存儲(chǔ)芯片，用于各端口數(shù)據(jù)發(fā)送的緩沖和網(wǎng)絡(luò)中MAC地址的保存。同時(shí)，由于采用了數(shù)據(jù)交換技術(shù)，使得各個(gè)接入端口之間可以同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，隨著緩存芯片的增大，各個(gè)端口之間同時(shí)可以發(fā)送的數(shù)據(jù)也隨之增多。從而保證了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，大幅度降低了數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

下面以固高公司的直線型倒立擺為被控對(duì)象，主要研究上述兩種網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)控制性能的影響。為了便于控制器設(shè)計(jì)，對(duì)對(duì)象模型進(jìn)行了簡化，假設(shè)擺桿為勻質(zhì)剛體，忽略空氣阻力、滑動(dòng)小車與導(dǎo)軌之間的靜態(tài)摩擦及擺桿與轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的摩擦力。對(duì)象的各參數(shù)如下：滑動(dòng)小車的質(zhì)量M=1.32（Kg），擺的質(zhì)量m=0.109（Kg），小車摩擦系數(shù)b=0.1（N/m/sec），重力加速度g=9.8（m/s2），質(zhì)心距節(jié)點(diǎn)的距離L=0.25（m），轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.00227（Kg.m2）。

記φ為擺桿偏角，即擺桿與豎直向上方向的夾角，取順時(shí)針方向?yàn)檎较?。v（t）為作用在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的電壓，f（t）為作用于小車且平行于導(dǎo)軌的外力，通過對(duì)滑動(dòng)小車和擺桿的受力分析和推導(dǎo)，且忽略交流電機(jī)的動(dòng)特性并且假設(shè)交流電機(jī)由v到f的靜態(tài)增益為1，可以得到如下倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式：

（1）

其中：選取z1代表小車位移，z2代表小車速度，z3代表擺桿偏角，z4代表擺桿角速度四個(gè)變量為狀態(tài)變量，則，

針對(duì)上述倒立擺對(duì)象，可構(gòu)建如下的網(wǎng)絡(luò)控制環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：A、B、C、D為控制網(wǎng)絡(luò)中的四個(gè)節(jié)點(diǎn);A、D為用于增大網(wǎng)絡(luò)信息量的干擾節(jié)點(diǎn);C為控制器節(jié)點(diǎn);B為直接與倒立擺裝置相連的傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，E為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備;從圖1中可以看到，該網(wǎng)絡(luò)中存在如下三條數(shù)據(jù)通信鏈路：干擾節(jié)點(diǎn)A→D（為適當(dāng)簡化問題，忽略干擾節(jié)點(diǎn)D→A這一數(shù)據(jù)通信鏈路）、傳感器節(jié)點(diǎn)B→控制器節(jié)點(diǎn)C、控制器節(jié)點(diǎn)C→執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)B;

圖1倒立擺網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖

試用如下的切換控制律（2）,測試了普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)對(duì)倒立擺的起擺與鎮(zhèn)定控制性能的影響。

（2）

其中，Vmax為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓上限，此處取為12.5（v），即電壓在-12.5～12.5（v）之間變化;通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，取ω=5.422，Klqr可通過系統(tǒng)（1）的近似線性模型，用極點(diǎn)配置的方法確定;如當(dāng)極點(diǎn)選做[-1-2-3-4]時(shí)，可得Klqr=[-1.1-2.39-30.09-5.25]。

①普通以太網(wǎng)

該網(wǎng)絡(luò)中，采用3Com公司生產(chǎn)的“OfficeConnectDualSpeedHub8”集線器作為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備E，該設(shè)備上有8個(gè)10/100自適應(yīng)RJ-45端口，無傳輸緩存。每個(gè)端口理論上可實(shí)現(xiàn)100M的網(wǎng)絡(luò)帶寬。在控制律（2）的作用下，系統(tǒng)各狀態(tài)的響應(yīng)曲線如圖所示，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度曲線如圖所示。

圖2普通以太網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)序圖

圖3普通以太網(wǎng)中系統(tǒng)

②交換以太網(wǎng)

該網(wǎng)絡(luò)中采用3Com公司生產(chǎn)的“OfficeConnectDualSpeedSwitch8Plus”交換機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備E，端口數(shù)量和特征與上述集線器類似，但該設(shè)備中帶1M的數(shù)有據(jù)緩存，用以實(shí)現(xiàn)交換機(jī)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能。在控制律（2）的作用下，系統(tǒng)各狀態(tài)的響應(yīng)曲線如圖所示，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度曲線如圖所示。

圖4交換以太網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息時(shí)序圖

圖5交換以太網(wǎng)中系統(tǒng)

從以上各圖中可以看到，普通以太網(wǎng)環(huán)境下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)間不能同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，而這種局限在交換以太網(wǎng)環(huán)境下