基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)突破了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的諸多限制，成為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的新的發(fā)展方向。交換技術(shù)的出現(xiàn)可以克服傳統(tǒng)以太網(wǎng)的缺點(diǎn)，大大提高網(wǎng)絡(luò)性能，一定程度上克服以太網(wǎng)的時延不確定性，因此交換式以太網(wǎng)將大大推動以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展，也是下一步網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和方向。目前對基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)還缺乏系統(tǒng)的研究，還有許多問題有待解決。論文深入研究基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延組成、時延確定性分析、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)

2、構(gòu)設(shè)計(jì)、交換機(jī)調(diào)度算法、考慮系統(tǒng)噪聲的隨機(jī)時延補(bǔ)償以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺等問題。 論文首先對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的發(fā)展以及國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究概況進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)和概括。 時延是影響基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最主要的問題。論文對基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延組成進(jìn)行深入研究，對所有時延分量進(jìn)行定性分析，從而得出影響系統(tǒng)時延的主要因素。在此基礎(chǔ)上，針對時延主要分量，利用時序圖研究單交換機(jī)系統(tǒng)和多交換機(jī)系統(tǒng)中最大時延，并得到

3、了最壞情況下最大時延數(shù)學(xué)表達(dá)式。與以往的時延分析方法和結(jié)果比較，論文首次全面考慮交換機(jī)所帶來的時延，所得到的最大可能時延的數(shù)學(xué)表達(dá)式更加完整和全面。 為了更好地保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性，需要對交換式以太網(wǎng)的實(shí)時能力進(jìn)行確定性地分析與評價。論文提出利用網(wǎng)絡(luò)演算方法對基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延進(jìn)行確定性分析，并首次將采用輸出緩存交換方式，F(xiàn)IFO調(diào)度算法和不支持優(yōu)先級的交換機(jī)作為研究對象。首先建立系統(tǒng)的通信模型，進(jìn)一步利用服務(wù)曲線

4、理論分別得到二級交換機(jī)和一級交換機(jī)提供給某業(yè)務(wù)流的服務(wù)曲線，最后得到系統(tǒng)服務(wù)曲線、時延和緩存器大小的精確解析表達(dá)式。論文提出的研究方法和結(jié)論可以對交換式以太網(wǎng)的實(shí)時能力進(jìn)行確定性分析和評價，并能夠用來分析整個網(wǎng)絡(luò)在滿足業(yè)務(wù)流性能要求情況下所能夠承受的最大負(fù)載。 良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)是減小網(wǎng)絡(luò)時延的第一步，但目前有關(guān)這方面的研究非常少見。論文提出采用遺傳算法來研究基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)問題，并針對傳統(tǒng)遺傳算法全

5、局搜索能力較差、存在收斂速度和全局收斂性之間矛盾的缺點(diǎn)，從編碼方案、交叉概率和變異概率三個方面進(jìn)行改進(jìn)。論文采用樹型和線性相結(jié)合的冗余拓?fù)淠Ｐ?，充分考慮網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)，規(guī)定節(jié)點(diǎn)間通信量可取不同權(quán)值。首先將系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)問題等價為一個多目標(biāo)優(yōu)化問題，給出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化問題的定義然后利用遺傳算法進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。仿真實(shí)驗(yàn)證明論文提出的算法可迅速跳出局部最優(yōu)，在保證收斂速度的同時向全局最優(yōu)方向發(fā)展；仿真結(jié)果表明該算法可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化，有

6、效減小網(wǎng)絡(luò)通信時延。 在交換式以太網(wǎng)中，當(dāng)有多個數(shù)據(jù)包同時訪問同一端口時節(jié)點(diǎn)會產(chǎn)生較大排隊(duì)時延，為保證數(shù)據(jù)實(shí)時性必須對緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行調(diào)度。論文針對該問題創(chuàng)新性地提出一種分級調(diào)度算法，該算法不改變以太網(wǎng)MAC協(xié)議，實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行開銷小，可在一般性能交換機(jī)上實(shí)現(xiàn)。該分級調(diào)度算法包括兩級調(diào)度。一級調(diào)度的思想是首先在交換機(jī)中采用基于IEEE802.1p的非搶占式優(yōu)先級調(diào)度方法，二級調(diào)度是分別對系統(tǒng)中3個不同數(shù)據(jù)隊(duì)列采用不同的調(diào)度策

7、略。對優(yōu)先級別最高的周期性實(shí)時數(shù)據(jù)隊(duì)列，采用遺傳算法離線生成調(diào)度表。論文設(shè)計(jì)了遺傳算法具體算法并給出可調(diào)度的條件。 目前從控制論角度出發(fā)針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延的研究很多，但基本上都沒考慮系統(tǒng)中的噪聲問題。為填補(bǔ)這一空白，論文對具有隨機(jī)時延和系統(tǒng)噪聲的基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，提出一種可對隨機(jī)時延進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)觀測器的具體設(shè)計(jì)方法。利用輸出反饋構(gòu)造一個狀態(tài)觀測器，狀態(tài)觀測器在控制器中采用數(shù)值算法來實(shí)現(xiàn)。論文證明系統(tǒng)在滿