摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟，以太網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也成為研究熱點(diǎn)之一。穩(wěn)定性是NCS能夠正常工作的首要條件，然而時延的存在給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)帶來了很大的不確定性。在對時延進(jìn)行分析后，針對時延的主要部分解決問題，并提出了指令推測技術(shù)，為Ethernet NCS響應(yīng)時間保障機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);以太網(wǎng);響應(yīng)時間

Abstract: With the development and maturity of network technology, Ethernet is becoming one of hotspots in application of control system. Stability is the first condition which NCS can work in gear. However, existence of time-delay brings great uncertainty to NCS. After analyzing time-delay and account for some questions according to main of time-delay, instruction speculation technology is brought forward in this paper, which offers theory basis for NCS response time guarantee mechanism.

Keywords: NCS; Ethernet; response time

引言

在現(xiàn)代社會里, 網(wǎng)絡(luò)無處不在,它充滿了社會的各個領(lǐng)域, 如管理決策、資源共享、自動化制造工廠、電廠、機(jī)器人、高級的航天航空器和電氣化運(yùn)輸工具等許多高科技領(lǐng)域和大型企業(yè)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS（networked control system）是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化、節(jié)點(diǎn)智能化的發(fā)展趨勢[1]。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

NCS的概念自從20 世紀(jì)90 年代初被提出，就立刻引起了人們的關(guān)注。將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集成為控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)有線連接，使系統(tǒng)成本降低、負(fù)擔(dān)減輕、節(jié)約能量、安裝與維護(hù)簡化及可靠性高等，它不但可以節(jié)省人力資源、減少企業(yè)開銷，而且在提高企業(yè)效率，增加利潤等方面有著積極的作用，因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工廠、交通、智能建筑系統(tǒng)及其他場合。同時，NCS對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)理論和應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是控制界研究的熱點(diǎn)之一。

然而通過以太網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時卻不可避免地存在著網(wǎng)絡(luò)時延，NCS對實(shí)時性要求又比較高，因而時延的存在將會帶來比較大的危害，不但會大大降低系統(tǒng)的性能，甚至?xí)鹣到y(tǒng)的不穩(wěn)定。

2 以太網(wǎng)NCS的實(shí)時性研究

2.1 以太網(wǎng)實(shí)時性分析

以太網(wǎng)采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD），并且采用二進(jìn)制后退算法（BEB）處理沖突。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)的信道是否空閑。如果信道空閑，就邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊發(fā)送檢測是否有沖突。沒有沖突則繼續(xù)發(fā)送直到發(fā)完全部數(shù)據(jù);若有沖突則停止發(fā)送數(shù)據(jù)且發(fā)送一個加強(qiáng)沖突的JAM信號，持續(xù)監(jiān)聽到一個隨機(jī)時間，直到信道空閑時發(fā)送出未發(fā)完的數(shù)據(jù)。

對于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，一般采用Internet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制。Internet上的傳輸速率由于傳輸數(shù)據(jù)的大小和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的原因而波動很大，導(dǎo)致傳播延遲的不確定。一般情況下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載控制在25%以下，網(wǎng)絡(luò)傳輸就不會超載，傳播延遲將會很小;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載在25%以上，傳播延遲將隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的上升而增加。

由此可見，以太網(wǎng)在通信過程中存在延遲不確定性。當(dāng)節(jié)點(diǎn)間發(fā)生沖突時，其等待時間和傳播時間隨機(jī)產(chǎn)生，具有不確定性，因此無法給出以太網(wǎng)的延遲時間的上界，不能保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲筮t滯要求，即實(shí)時性要求，也不能滿足工業(yè)自動化中的信息傳輸對網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)的需求，所以，對于響應(yīng)時間要求嚴(yán)格的控制過程就會產(chǎn)生沖突。

2.2 NCS的實(shí)時性

所謂實(shí)時（Real Time） 性是指系統(tǒng)對外界激勵及時做出響應(yīng)的能力,常用系統(tǒng)對外界激勵的響應(yīng)時間來定量描述。不同的NCS對實(shí)時性的要求往往是不同的?？刂凭W(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和系統(tǒng)響應(yīng)的實(shí)時性是控制系統(tǒng)最基本的要求，就是說實(shí)時網(wǎng)絡(luò)NCS中各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間是確定的，即可預(yù)測的。NCS中的數(shù)據(jù)傳輸是具有時限的，如果網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間超出了時限，即使接收方收到了數(shù)據(jù)，系統(tǒng)也認(rèn)為此次數(shù)據(jù)傳輸失效[2]。

一般來說，過程控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間要求為0.01～0.5s，制造自動化系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.5～2.0s，而普通信息網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間要求為2.0～6.0s。通常,在控制網(wǎng)絡(luò)中,每一臺控制器要具有一定的實(shí)時性。以太網(wǎng)在通信過程中的延遲不確定性，使它不能很好地滿足網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時性要求，這帶來的后果可能是災(zāi)難性的。因此，以太網(wǎng)要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)必須解決實(shí)時性問題。

3 響應(yīng)時間保障機(jī)制

3.1 競爭優(yōu)先級機(jī)制

在遠(yuǎn)程實(shí)時控制的傳感器端，數(shù)據(jù)通常會在MAC層中進(jìn)行排隊(duì)，等待通過網(wǎng)絡(luò)傳送到控制器。然而傳感器端常常會有緊急數(shù)據(jù)需要傳輸，如報(bào)警信息。對于這類緊急數(shù)據(jù)，必須以最短的時間延遲傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控端，由監(jiān)控端及時做出決策和處理。原理如下：

在TCP中,等待發(fā)送的數(shù)據(jù)以字節(jié)流的形式存放在MAC層的緩沖區(qū)中。普通數(shù)據(jù)都編有序號,發(fā)送的時候按照序號的大小從小到大依次發(fā)送。當(dāng)有緊急數(shù)據(jù)需要發(fā)送時,如果把這些緊急數(shù)據(jù)也編上序號順序發(fā)送,則會因?yàn)榍懊嫘⌒蛱柕臄?shù)據(jù)未發(fā)送而耽擱緊急數(shù)據(jù)的發(fā)送。因此,緊急數(shù)據(jù)不能按照普通數(shù)據(jù)編號后順序發(fā)送,而只能采取帶外數(shù)據(jù)的方式發(fā)送,即不管該緊急數(shù)據(jù)產(chǎn)生時在它前面還有多少未發(fā)送的普通數(shù)據(jù),該緊急數(shù)據(jù)都將插在下一個將要發(fā)送的數(shù)據(jù)前面而被發(fā)送。通過在TCP 報(bào)頭的代碼域中設(shè)置緊急數(shù)據(jù)位（URG bit） 表示該TCP 數(shù)據(jù)段中含有緊急數(shù)據(jù)。TCP 報(bào)頭中的緊急指針指出了緊急數(shù)據(jù)在TCP數(shù)據(jù)段中的結(jié)束位置 。

通過對緊急數(shù)據(jù)的處理，大大縮短了緊急數(shù)據(jù)的發(fā)送時間，保證使緊急數(shù)據(jù)在產(chǎn)生后能立即發(fā)出，避免出現(xiàn)重大事故。

3.2 數(shù)據(jù)的處理

在發(fā)送端，傳感器往往會在較短的時間內(nèi)收集到大量的信息，如果將這些信息全部發(fā)送到控制器，就會增加網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量，這對NCS在Ethernet中快速實(shí)時響應(yīng)是不利的，所以在數(shù)據(jù)由傳感器發(fā)送到控制器之前要先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)過濾和數(shù)據(jù)壓縮。

數(shù)據(jù)過濾就是發(fā)送端對傳感器收集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選過濾，將有用的信息保留下來，去除無用信息。我們在傳感器端裝配一個微型控制器，記錄最新幾個采集的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)最小二乘法對其進(jìn)行曲線擬合，以此來判斷最后一次采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)是否符合該曲線擬合，如果符合，則將其發(fā)送給控制器，否則丟棄。

數(shù)據(jù)壓縮是用數(shù)據(jù)編碼或變換獲得原數(shù)據(jù)的歸約或壓縮表示。雖然壓縮數(shù)據(jù)會增加傳感器端額外的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，還要花費(fèi)控制端的解壓時間，但是比起繁雜的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸時間，特別是在網(wǎng)絡(luò)較忙時來說，無疑還是大大的縮減了響應(yīng)時間。同時，通過壓縮，我們還可以一次性傳輸較多的信息，很好的滿足了實(shí)時性，有利于控制端及時地作出判斷、進(jìn)行處理。

3.3 指令推測技術(shù)

在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，對離散事件的監(jiān)控形成的傳感器-控制器-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)控制環(huán)在整個廣域網(wǎng)是閉合的。一個控制網(wǎng)絡(luò)至少應(yīng)有3個節(jié)點(diǎn)，來自各個節(jié)點(diǎn)的對象輸出常常是耦合的，存在不同的時間標(biāo)尺的輸出，所以信息擁塞是一個共同的問題。

遠(yuǎn)程以太網(wǎng)絡(luò)上的傳輸速率由于傳輸數(shù)據(jù)量的大小和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的原因而波動很大。如果網(wǎng)絡(luò)速度高而通信量少，在這樣的一個網(wǎng)絡(luò)中引入反饋信息的延遲時間很短，可以不考慮網(wǎng)絡(luò)的存在而應(yīng)用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。但是如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，就會導(dǎo)致以太網(wǎng)傳輸最短時間的不確定，這是影響其成為控制網(wǎng)絡(luò)的最主要障礙。

在Internet上進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄舆t和目的節(jié)點(diǎn)與起始節(jié)點(diǎn)之間的距離長度沒有明顯的關(guān)系，因此著重考慮網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載量[3]。

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，傳感器、執(zhí)行器與控制器之間相隔很遠(yuǎn)，而在一些時間段，由于大量的用戶使用網(wǎng)絡(luò)，使得網(wǎng)絡(luò)十分繁忙，所以從傳感器傳出的數(shù)據(jù)也許不能在規(guī)定的時間內(nèi)到達(dá)控制器，這將直接影響網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，所以控制器必須快速地做出正確決策，將執(zhí)行信息發(fā)送到執(zhí)行器。

因此，網(wǎng)絡(luò)會規(guī)定一個時間，傳感器會在這個規(guī)定的時間內(nèi)向控制器不斷地發(fā)送信息。控制器在每次獲取信息時，都會將此數(shù)據(jù)點(diǎn)記錄下來，按時間順序進(jìn)行排隊(duì)，我們假設(shè)控制器允許記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)為10個，當(dāng)?shù)谑粋€數(shù)據(jù)點(diǎn)傳來時，拋棄第一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，后面的數(shù)據(jù)點(diǎn)依次前進(jìn)，第十一個數(shù)據(jù)點(diǎn)存入第十個記錄，依次類推。在某一個時刻，傳感器沒有在規(guī)定的時間內(nèi)將信息傳送到控制器，控制器就會向傳感器發(fā)送重傳命令，同時，控制器根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)推測出該時刻傳感器可能會傳來的信息。在對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行利用之前,先對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分析和處理, 如剔除誤差較大的或明顯不正確的點(diǎn), 以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;有時由于條件限制，不能通過現(xiàn)有的測量手段得到希望的數(shù)據(jù)量, 則可以通過測量其它的量, 并對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算, 便可間接地得到所希望的數(shù)據(jù)等等[4]。然后使用最小二乘法對所得的離散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，并對擬合而成的曲線繪制成圖。根據(jù)這條曲線，推斷出下一個時刻傳感器可能會傳來的信息，并做決策，將執(zhí)行信息發(fā)送到執(zhí)行器。

在最小二乘法中，假設(shè)在XOY 直角坐標(biāo)系中有m+1 對數(shù)據(jù)

其中xi∈[a,b]?，F(xiàn)選定n+1（n≤m）個在區(qū)間[a,b]上連續(xù)且在點(diǎn)集｛xi，i=0,1,?,m｝上線性無關(guān)的基函數(shù)φj （x）（j=0,1,?,n），用曲線

去代替數(shù)據(jù)（1）所反映的函數(shù)關(guān)系。若曲線（2）使得誤差平方和達(dá)到最小，則稱y（x）為按最小二乘法確定的對于數(shù)據(jù)（1）的擬合曲線?；瘮?shù)φj （x）的選擇通常根據(jù)具體問題的物理背景或坐標(biāo)點(diǎn)的分部情況去選擇。擬合曲線中系數(shù)cj 的求解過程如下：由（3）式分別對Cj（j=0,1,?,n）求導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)等于零，解方程組求得C0,C1,?,Cn的值，從而求得y（x）的具體表達(dá)式。最后，根據(jù)所得到的曲線表達(dá)式，預(yù)測下一個時間傳感器將可能傳送的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)值[5]。

在溫度網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，在t11時刻，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載量過大，數(shù)據(jù)點(diǎn)無法及時的傳送到控制器中，控制器就會根據(jù)之前傳感器傳來的溫度參數(shù)進(jìn)行分析和判斷，做出決策，然后將執(zhí)行信息發(fā)送到執(zhí)行器。如圖2所示。系統(tǒng)根據(jù)傳感器傳來的前十個數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，利用最小二乘法，獲取擬和曲線方程，進(jìn)一步估算出下一個時間傳感器將可能傳送的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)值。

圖2 對離散數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合

4 總結(jié)與展望

以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，它具有開放性、低成本和廣泛應(yīng)用的軟硬件支持等明顯優(yōu)勢。本文的創(chuàng)新之處在于運(yùn)用最小二乘法原理，提出了指令推測技術(shù)，著重在于解決因網(wǎng)絡(luò)擁塞而使得傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)無法及時傳送到控制器段，對NCS中的控制器無法快速地作出正確的決定所造成的巨大影響。將控制與以太網(wǎng)結(jié)合起來，可以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的控制能力，提高異地的網(wǎng)絡(luò)控制效率，具有良好的發(fā)展前景。但是，控制網(wǎng)絡(luò)對響應(yīng)時間的要求卻極為苛刻，帶沖突檢測的以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)中不確定的負(fù)載量很大程度地制約了控制網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時間。本文通過對時間延遲組成分析，介紹幾種解決方法，重點(diǎn)提出了指令推測技術(shù)，極大的避免了因網(wǎng)絡(luò)擁塞對NCS所造成的巨大影響，具有很好的實(shí)用性，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間機(jī)制提供了理論基礎(chǔ)。

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