交换以太网在网络控制系统中的应用

摘  要：本文针对网络环境下实际倒立摆对象的起摆与镇定问题，研究分析了普通以太网和交换以太网两种网络模型对系统控制性能的影响。实验结果表明在交换以太网环境下，倒立摆系统的控制性能得到较大的改善。 
关键字：网络控制系统，倒立摆，交换以太网
1 引言
　　近年来，随着控制系统的日益发展，大量的分布式实时控制系统被应用于复杂工业控制领域，控制器、传感器以及执行器在空间上分布越来越趋向分散化，而对于信息资源共享能力，及控制网络的稳定性的要求却逐步提高，控制系统的发展呈现集成化、分布化、高灵活性的发展趋势。应运而生的网络控制系统正是日益完善的计算机网络通讯技术与控制理论相融合的产物;在为传统的自动化系统在体系结构、控制方法以及人机协作等方面注入新的内涵的同时，带来了巨大的机遇和挑战。
　　通常研究的网络控制系统（NCS）具有如下的特点：信息在控制系统各单元间通过共用网络进行交换;高效的信息共享和数据交换;少量的线路连接以及槽架搭建;便捷的系统维护和故障诊断等。但是由于网络的介入，网络控制系统中显露了很多不同于传统控制系统的新问题，主要表现在：信息流的传输延迟问题;由于网络堵塞或传输中断引起的时序错乱、数据包丢失问题。针对这两个问题，目前网络控制系统中，采用了很多不同的网络模型和数据处理算法，如CAN、Ethernet、TDMA、退避算法等。
　　近两年，随着网络技术的发展，交换以太网技术得到了进一步的普及，相对于普通以太网技术而言，其性价比近年来得到了大幅度提高。下面本文针对普通以太网和交换以太网，这两种目前最主要的网络模型，比较了它们对网络控制系统性能的影响。
2 网络模型分析
　　本节主要说明了普通以太网和交换以太网，两个网络模型的数据传输原理，并进行了简要的比较。
　　①普通以太网
　　此类网络采用载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术，网络上的每个结点在发送数据包前需要侦听传输媒介是否空闲，如果空闲则发送，否则等待一段时间τ（μs），再次检测，以判断是否继续等待;等待时间随等待次数指数增长。如果两结点同时发送则产生冲突，则在传输媒介上发送冲突信号并等待。如果等待次数超过一个预先设定值，则此次发送失败，有可能是网络故障。由此过程可知，普通以太网适用于网络负载较低情况下的数据传输，且数据延时较长;对于高负载、实时性高的场合，此类网络模型一般不能满足数据传输所要求的性能。
　　②交换以太网
　　相对于普通以太网所用的集线器（HUB）而言，交换以太网在集线器中引入了数据交换机制，利用存储—转发技术克服了普通以太网传输实时性差，等待时间长的缺点。此类设备在外形上类似于集线器，但在内部电路中增加了存储芯片，用于各端口数据发送的缓冲和网络中MAC地址的保存。同时，由于采用了数据交换技术，使得各个接入端口之间可以同时发送数据，随着缓存芯片的增大，各个端口之间同时可以发送的数据也随之增多。从而保证了网络中数据传输的实时性，大幅度降低了数据传输延时。
3 实验结果
　　下面以固高公司的一级直线型倒立摆为被控对象，主要研究上述两种网络模型对控制性能的影响。为了便于控制器设计，对对象模型进行了简化，假设摆杆为匀质刚体，忽略空气阻力、滑动小车与导轨之间的静态摩擦及摆杆与转动节点之间的摩擦力。对象的各参数如下：滑动小车的质量 M=1.32（Kg），摆的质量 m=0.109（Kg），小车摩擦系数b=0.1（N/m/sec），重力加速度 g=9.8（m/s2），质心距节点的距离L=0.25（m），转动惯量J=0.00227（Kg.m2）。
　　记φ为摆杆偏角，即摆杆与竖直向上方向的夹角，取顺时针方向为正方向。v（t）为作用在驱动电机上的电压，f（t）为作用于小车且平行于导轨的外力，通过对滑动小车和摆杆的受力分析和推导，且忽略交流电机的动特性并且假设交流电机由v到f的静态增益为1，可以得到如下倒立摆系统的状态空间表达式：
　　（1）
　　其中：选取z1代表小车位移，z2代表小车速度，z3代表摆杆偏角，z4代表摆杆角速度四个变量为状态变量，则，
　　
　　针对上述倒立摆对象，可构建如下的网络控制环境，网络结构如图1所示，其中：A、B、C、D为控制网络中的四个节点;A、D为用于增大网络信息量的干扰节点;C为控制器节点;B为直接与倒立摆装置相连的传感器和执行器节点，E为网络连接设备;从图1中可以看到，该网络中存在如下三条数据通信链路：干扰节点A→D（为适当简化问题，忽略干扰节点D→A这一数据通信链路）、传感器节点B→控制器节点C、控制器节点C→执行器节点B;

图1 倒立摆网络控制结构图
　　试用如下的切换控制律（2）,测试了普通以太网和交换以太网对倒立摆的起摆与镇定控制性能的影响。
　　（2）
　　其中，Vmax为驱动电机的电压上限，此处取为12.5（v），即电压在-12.5～12.5（v）之间变化;通过计算和实验分析，取ω=5.422，Klqr可通过系统（1）的近似线性模型，用极点配置的方法确定;如当极点选做[-1 -2 -3 -4]时，可得Klqr=[-1.1 -2.39 -30.09 -5.25]。
　　①普通以太网
　　该网络中，采用3Com公司生产的“OfficeConnect Dual Speed Hub 8”集线器作为网络连接设备E，该设备上有8个10/100自适应RJ-45端口，无传输缓存。每个端口理论上可实现100M的网络带宽。在控制律（2）的作用下，系统各状态的响应曲线如图所示，各网络节点调度曲线如图所示。

图2 普通以太网中各节点发送信息时序图 
 


图3 普通以太网中系统（1）各状态响应曲线图
　　②交换以太网
　　该网络中采用3Com公司生产的“OfficeConnect Dual Speed Switch 8 Plus”交换机作为网络连接设备E，端口数量和特征与上述集线器类似，但该设备中带1M的数有据缓存，用以实现交换机的存储转发功能。在控制律（2）的作用下，系统各状态的响应曲线如图所示，各网络节点的调度曲线如图所示。

图4 交换以太网中各节点发送信息时序图 
 

图5 交换以太网中系统（1）各状态响应曲线图
　　从以上各图中可以看到，普通以太网环境下，各个节点间不能同时发送数据，而这种局限在交换以太网环境下不存在，故控制律相同时，交换以太网环境下，倒立摆系统获得了较好的控制性能。
4 结论
　　本文通过对两种网络环境下，倒立摆摆起与镇定控制问题的研究，比较了两种网络模型对系统控制性能的影响。最后通过实验结果说明了采用交换以太网技术能较大程度地改善网络系统的控制性能。
参考文献：
　　1. 吉逸、金胜昔，计算机网络技术（3）：局域网技术及其应用，江苏机械制造与自动化，2001，3。