交換以太網在網絡控制系統中的應用

摘 要：本文針對網絡環境下實際倒立擺對象的起擺與鎮定問題，研究分析了普通以太網和交換以太網兩種網絡模型對系統控制性能的影響。實驗結果表明在交換以太網環境下，倒立擺系統的控制性能得到較大的改善。

關鍵字：網絡控制系統，倒立擺，交換以太網

1 引言

　　近年來，隨著控制系統的日益發展，大量的分布式實時控制系統被應用于復雜工業控制領域，控制器、傳感器以及執行器在空間上分布越來越趨向分散化，而對于信息資源共享能力，及控制網絡的穩定性的要求卻逐步提高，控制系統的發展呈現集成化、分布化、高靈活性的發展趨勢。應運而生的網絡控制系統正是日益完善的計算機網絡通訊技術與控制理論相融合的產物;在為傳統的自動化系統在體系結構、控制方法以及人機協作等方面注入新的內涵的同時，帶來了巨大的機遇和挑戰。

　　通常研究的網絡控制系統（NCS）具有如下的特點：信息在控制系統各單元間通過共用網絡進行交換;高效的信息共享和數據交換;少量的線路連接以及槽架搭建;便捷的系統維護和故障診斷等。但是由于網絡的介入，網絡控制系統中顯露了很多不同于傳統控制系統的新問題，主要表現在：信息流的傳輸延遲問題;由于網絡堵塞或傳輸中斷引起的時序錯亂、數據包丟失問題。針對這兩個問題，目前網絡控制系統中，采用了很多不同的網絡模型和數據處理算法，如CAN、Ethernet、TDMA、退避算法等。

　　近兩年，隨著網絡技術的發展，交換以太網技術得到了進一步的普及，相對于普通以太網技術而言，其性價比近年來得到了大幅度提高。下面本文針對普通以太網和交換以太網，這兩種目前最主要的網絡模型，比較了它們對網絡控制系統性能的影響。

2 網絡模型分析

　　本節主要說明了普通以太網和交換以太網，兩個網絡模型的數據傳輸原理，并進行了簡要的比較。

　　①普通以太網

　　此類網絡采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術，網絡上的每個結點在發送數據包前需要偵聽傳輸媒介是否空閑，如果空閑則發送，否則等待一段時間τ（μs），再次檢測，以判斷是否繼續等待;等待時間隨等待次數指數增長。如果兩結點同時發送則產生沖突，則在傳輸媒介上發送沖突信號并等待。如果等待次數超過一個預先設定值，則此次發送失敗，有可能是網絡故障。由此過程可知，普通以太網適用于網絡負載較低情況下的數據傳輸，且數據延時較長;對于高負載、實時性高的場合，此類網絡模型一般不能滿足數據傳輸所要求的性能。

　　②交換以太網

　　相對于普通以太網所用的集線器（HUB）而言，交換以太網在集線器中引入了數據交換機制，利用存儲—轉發技術克服了普通以太網傳輸實時性差，等待時間長的缺點。此類設備在外形上類似于集線器，但在內部電路中增加了存儲芯片，用于各端口數據發送的緩沖和網絡中MAC地址的保存。同時，由于采用了數據交換技術，使得各個接入端口之間可以同時發送數據，隨著緩存芯片的增大，各個端口之間同時可以發送的數據也隨之增多。從而保證了網絡中數據傳輸的實時性，大幅度降低了數據傳輸延時。

3 實驗結果

　　下面以固高公司的一級直線型倒立擺為被控對象，主要研究上述兩種網絡模型對控制性能的影響。為了便于控制器設計，對對象模型進行了簡化，假設擺桿為勻質剛體，忽略空氣阻力、滑動小車與導軌之間的靜態摩擦及擺桿與轉動節點之間的摩擦力。對象的各參數如下：滑動小車的質量 M=1.32（Kg），擺的質量 m=0.109（Kg），小車摩擦系數b=0.1（N/m/sec），重力加速度 g=9.8（m/s²），質心距節點的距離L=0.25（m），轉動慣量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，取順時針方向為正方向。v（t）為作用在驅動電機上的電壓，f（t）為作用于小車且平行于導軌的外力，通過對滑動小車和擺桿的受力分析和推導，且忽略交流電機的動特性并且假設交流電機由v到f的靜態增益為1，可以得到如下倒立擺系統的狀態空間表達式：

　　（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變量為狀態變量，則，

　　

　　針對上述倒立擺對象，可構建如下的網絡控制環境，網絡結構如圖1所示，其中：A、B、C、D為控制網絡中的四個節點;A、D為用于增大網絡信息量的干擾節點;C為控制器節點;B為直接與倒立擺裝置相連的傳感器和執行器節點，E為網絡連接設備;從圖1中可以看到，該網絡中存在如下三條數據通信鏈路：干擾節點A→D（為適當簡化問題，忽略干擾節點D→A這一數據通信鏈路）、傳感器節點B→控制器節點C、控制器節點C→執行器節點B;

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

　　（2）

　　其中，V_max為驅動電機的電壓上限，此處取為12.5（v），即電壓在-12.5～12.5（v）之間變化;通過計算和實驗分析，取ω=5.422，Klqr可通過系統（1）的近似線性模型，用極點配置的方法確定;如當極點選做[-1 -2 -3 -4]時，可得Klqr=[-1.1 -2.39 -30.09 -5.25]。

　?、倨胀ㄒ蕴W

　　該網絡中，采用3Com公司生產的“OfficeConnect Dual Speed Hub 8”集線器作為網絡連接設備E，該設備上有8個10/100自適應RJ-45端口，無傳輸緩存。每個端口理論上可實現100M的網絡帶寬。在控制律（2）的作用下，系統各狀態的響應曲線如圖所示，各網絡節點調度曲線如圖所示。

　?、诮粨Q以太網

　　該網絡中采用3Com公司生產的“OfficeConnect Dual Speed Switch 8 Plus”交換機作為網絡連接設備E，端口數量和特征與上述集線器類似，但該設備中帶1M的數有據緩存，用以實現交換機的存儲轉發功能。在控制律（2）的作用下，系統各狀態的響應曲線如圖所示，各網絡節點的調度曲線如圖所示。

　　從以上各圖中可以看到，普通以太網環境下，各個節點間不能同時發送數據，而這種局限在交換以太網環境下不存在，故控制律相同時，交換以太網環境下，倒立擺系統獲得了較好的控制性能。

4 結論

　　本文通過對兩種網絡環境下，倒立擺擺起與鎮定控制問題的研究，比較了兩種網絡模型對系統控制性能的影響。最后通過實驗結果說明了采用交換以太網技術能較大程度地改善網絡系統的控制性能。

參考文獻：

　　1. 吉逸、金勝昔，計算機網絡技術（3）：局域網技術及其應用，江蘇機械制造與自動化，2001，3。