基于交换式以太网的网络控制系统研究

论文摘要

基于以太网的网络控制系统突破了现场总线控制系统的诸多限制,成为网络控制系统的新的发展方向。交换技术的出现可以克服传统以太网的缺点,大大提高网络性能,一定程度上克服以太网的时延不确定性,因此交换式以太网将大大推动以太网在网络控制系统的应用和发展,也是下一步网络控制系统研究的重点和方向。目前对基于交换式以太网的网络控制系统还缺乏系统的研究,还有许多问题有待解决。论文深入研究基于交换式以太网的网络控制系统的时延组成、时延确定性分析、网络拓扑结构设计、交换机调度算法、考虑系统噪声的随机时延补偿以及网络控制系统仿真平台等问题。论文首先对网络控制系统的发展以及国内外网络控制系统研究概况进行详细总结和概括。时延是影响基于交换式以太网的网络控制系统最主要的问题。论文对基于交换式以太网的网络控制系统时延组成进行深入研究,对所有时延分量进行定性分析,从而得出影响系统时延的主要因素。在此基础上,针对时延主要分量,利用时序图研究单交换机系统和多交换机系统中最大时延,并得到了最坏情况下最大时延数学表达式。与以往的时延分析方法和结果比较,论文首次全面考虑交换机所带来的时延,所得到的最大可能时延的数学表达式更加完整和全面。为了更好地保证数据的实时性,需要对交换式以太网的实时能力进行确定性地分析与评价。论文提出利用网络演算方法对基于交换式以太网的网络控制系统的时延进行确定性分析,并首次将采用输出缓存交换方式,FIFO调度算法和不支持优先级的交换机作为研究对象。首先建立系统的通信模型,进一步利用服务曲线理论分别得到二级交换机和一级交换机提供给某业务流的服务曲线,最后得到系统服务曲线、时延和缓存器大小的精确解析表达式。论文提出的研究方法和结论可以对交换式以太网的实时能力进行确定性分析和评价,并能够用来分析整个网络在满足业务流性能要求情况下所能够承受的最大负载。良好的网络拓扑设计是减小网络时延的第一步,但目前有关这方面的研究非常少见。论文提出采用遗传算法来研究基于交换式以太网的网络控制系统的网络拓扑设计问题,并针对传统遗传算法全局搜索能力较差、存在收敛速度和全局收敛性之间矛盾的缺点,从编码方案、交叉概率和变异概率三个方面进行改进。论文采用树型和线性相结合的冗余拓扑模型,充分考虑网络控制系统中数据通信特点,规定节点间通信量可取不同权值。首先将系统拓扑设计问题等价为一个多目标优化问题,给出网络拓扑优化问题的定义然后利用遗传算法进行拓扑优化。仿真实验证明论文提出的算法可迅速跳出局部最优,在保证收敛速度的同时向全局最优方向发展;仿真结果表明该算法可实现系统拓扑优化,有效减小网络通信时延。在交换式以太网中,当有多个数据包同时访问同一端口时节点会产生较大排队时延,为保证数据实时性必须对缓冲区中的数据包进行调度。论文针对该问题创新性地提出一种分级调度算法,该算法不改变以太网MAC协议,实现简单,运行开销小,可在一般性能交换机上实现。该分级调度算法包括两级调度。一级调度的思想是首先在交换机中采用基于IEEE802.1p的非抢占式优先级调度方法,二级调度是分别对系统中3个不同数据队列采用不同的调度策略。对优先级别最高的周期性实时数据队列,采用遗传算法离线生成调度表。论文设计了遗传算法具体算法并给出可调度的条件。目前从控制论角度出发针对网络控制系统时延的研究很多,但基本上都没考虑系统中的噪声问题。为填补这一空白,论文对具有随机时延和系统噪声的基于交换式以太网的网络控制系统进行研究,提出一种可对随机时延进行补偿的状态观测器的具体设计方法。利用输出反馈构造一个状态观测器,状态观测器在控制器中采用数值算法来实现。论文证明系统在满足一定条件情况下,该状态观测器可以保证闭环系统的稳定性。仿真结果进一步表明该状态观测器可以有效补偿系统随机时延并同时实现对噪声的滤波处理。论文开发了基于交换式以太网的网络控制系统仿真平台。该平台采用半实物仿真,传感器数据和控制器数据可通过真实网络环境传递,克服了控制系统仿真工具中无精确网络模型为网络控制系统在计算机上的仿真带来的困难。平台软件通过Visual C++和MATLAB实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及理论与实际意义
• 1.2 网络控制系统发展概述
• 1.3 网络控制系统国内外研究概述
• 1.4 本文的主要内容和组织结构
• 2 基于交换式以太网NCS 时延分析
• 2.1 交换式以太网原理
• 2.2 时延组成分析
• 2.3 单交换机系统最大时延分析
• 2.4 多交换机系统最大时延分析
• 2.5 本章小结
• 3 基于网络演算的交换式以太网实时特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 网络演算基础
• 3.3 交换式以太网系统模型
• 3.4 交换式以太网性能分析
• 3.5 应用实例
• 3.6 本章小结
• 4 基于交换式以太网的NCS 系统拓扑设计
• 4.1 网络拓扑设计研究现状
• 4.2 遗传算法
• 4.3 网络拓扑优化问题的定义
• 4.4 遗传算法设计
• 4.5 仿真实验
• 4.6 本章小结
• 5 分级调度方法研究
• 5.1 实时系统调度算法研究概况
• 5.2 分级调度算法设计
• 5.3 周期性任务静态调度
• 5.4 本章小结
• 6 网络控制系统的时延补偿策略
• 6.1 引言
• 6.2 问题描述
• 6.3 状态观测器的设计
• 6.4 仿真试验
• 6.5 本章小结
• 7 基于交换式以太网的网络控制系统仿真平台
• 7.1 仿真平台方案
• 7.2 仿真平台设计
• 7.3 仿真实验
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录