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什么是NCS网络协议

来源:网上转载-什么是网络协议  发布时间:2014-09-18 15:30:38

NCS网络协议分析通过通信网络实现典型空间分布的传感器、控制器和执行器之间的信息交换,以达到对被控对象的反馈控制,这样一类控制系统被称之为网络控制系统或网络化控制系统(NetworkedControlSystems,NCS)。网络控制系统区别于传统计算机控制系统的主要标志是在控制系统中引入了诸如工业以太网(Ethernet)、CAN总线、令牌环网络、无线通信网络甚至Internet网等计算机网络,从而使得传感器同控制器以及控制器同执行器之间的数据、信号的交换和传递都是通过网络来进行的,这无疑极大地提高了资源共享率、系统模块化程度和系统灵活性。同时网络的引入也给网络控制系统带来了新的的问题,如网络诱导时延、网络丢包以及通信网络协议的选取不合理等,使得系统的动态性能和稳态性能都面临着新的挑战。针对不同的网络负载要求时,选择网络类型也有许多不同。本文主要讨论在满足一定网络控制系统的动态和稳态性能的基础上,面对不同网络负载情况下,给出选择网络类型的依据,并通过仿真实验验证本文的结论。

 

NCS网络协议网络选择策略分析

NCS网络协议中的网络可以有诸多不同类型,根据其所起作用的不同,大致可以分为起控制作用的网络和起通信作用的网络。起控制作用的网络一般都是用来传递小容量的信息,以总线拓扑结构较为常见。起通信作用的网络一般可以用来传递大容量的信息,其相当于神经中枢机制,比如以太网。与控制网络相比,基于数据网络的控制系统则要更多地考虑数据包的丢失及系统的实时性等要求,如工业以太网。以下主要讨论本文所涉及的4类网络。

1.CSMA/CD(Ethernet)表示带冲突检测的载波侦听多路访问。当网络处于繁忙的状态时,信息发送端就会处于等待状态直到网络空闲为止。如果一个信号发送后的1微秒内另外一个信号也发送出来时,网络碰撞就会发生(这相当于在长达200米电缆中的传输延迟,只有当两个或多个节点在等待空闲网络时才有可能发生网络碰撞)。当碰撞发生时,发送端会将信号的发送延迟一段时间,延迟时间的大小如下式所示:

tbackoff=minimumframesize/datarate×R(1)

式(1)中,R=rand(0,2k-1),k是碰撞系数(最大为10,但是再次发送的次数没有限制)。对于CSMA/CD最小帧不能为0。在等待一段时间后,节点又会尝试重新发送数据。

2.CSMA/AMP(CAN)表示带优先级仲裁判断的载波侦听多路访问。如果网络处于繁忙状态,发送端将会等待直到网络空闲时。当网络碰撞发生时,拥有最高优先级的信号仍将继续被发送出去。如果此时有两个相同优先级的信号同时在竞争网络,随机机制将决定哪个信号先发送。在实际的CAN总线中,所有的发送端都拥有一个唯一可以为信号优先级服务的标志符。

3.RoundRobin(TokenBus)表示令牌权限将会轮流在最低优先级的节点和最高优先级的节点间进行传送。在轮流传送中,网络的空闲时间可以由下式表示:

tidle=minimumframesize/datarate(2)

式(2)代表着令牌由一个节点传到下一个节点所需要的时间。

4.SwitchedEthernet中,网络中的每个节点都有自己、全双工的连接直达中央交换机。相比于普通以太网,交换以太网在网络中不会有冲突。该开关把收到的消息存储在一个缓冲区中,然后将其转发到正确的目的地节点。这个机制被称为存储和转发机制。如果在开关中的许多信号都被发往同一个节点,它们是按先进先出的顺序进行发送的。这样使得要么开关有一个队列可以保存所有信号,要么一个队列对应一个输出。在网络负载严重和队列过长的情况下,开关将会产生内存溢出。

本文实验主要是针对Ethernet、CAN、RoundRobin以及SwitchedEthernet对网络控制系统的影响来进行的。Ethernet(CSMA/CD)是因为其具有对系统运行成本要求比较低、算法简单易行等特点,使得其应对低负载和低功耗的网络时具有良好的性能,而其不足是没有有效的应对高负载和高功耗网络时的策略,使网络在此时容易出现网络诱导时延、网络拥塞等种种弊病,而文献则讨论了补偿基于以太网的网络控制系统的时延。CAN(CSMA/AMP)的优点是其总线协议是对短的消息优化传输的确定协议,能够保证高优先级消息的传输延迟较小,不足是网络负荷有限,不适于发送大数据量的消息,基于CAN总线的实际应用应考虑其负荷有限。RoundRobin的优点是可以按照既定的规则对网络负载进行相应的调配,而且在一定范围内可以随着负载的增加而表现出高稳定性的性能,然而其不足是在网络上流量很低时它的性能就大大降低,通常逻辑环上的众多节点都在等待令牌的到来,网络的大部分时间用作传递令牌。SwitchedEthernet的优点是可实现在低负载和高负载网络之间进行转换,实现不同网络的协同,不足是不同网络的切换成本高,会增大网络的负载。

 

NCS网络协议网络控制系统仿真模型的建立

根据网络化控制系统(NCS)的特点,其一般结构,如图1所示。

 

网络协议

 

图1中的网络部分即是网络控制系统同传统控制系统的主要区别,本文的重点也就是针对网络部分来展开的。

 

通过利用MATLAB中的Simulink模块库中的相关模块以及TrueTime模块库中的相关模块,可以得到如图2的仿真模型。

 

网络协议

 

该模型主要包含4个TrueTimeKernel模块(控制器、执行器、传感器以及干扰节点)、1个TrueTimeNetwork模块(网络)、1个信号发生器(方波信号)以及被控对象(直流伺服电机)。

运行图2中的仿真模型所需要的各模块的具体;

 

NCS网络协议不同网络类型的仿真结果

不同类型的网络有不同的网络特性,所以它们适用于不同的网络控制系统,在本实验中通过控制外界干扰程度以及修改TrueTimeNetworkSimulink模块中的不同协议以得到在不同网络负载情况下系统输出所表现出来的稳定状况。当网络处于低、高以及很高负载情况下,仿真得到的结果分别如图3、图4、图5所示。

 

NCS

 

 

什么是NCS

 

 

什么是网络协议

 

从图3、图4、图5可以看出,CAN网络和以太网(Ethernet)在低负载(0%)的情况下网络控制系统表现良好,系统超调较小,延迟时间也较短,系统运行时间也较短;而在高负载的情况下,此两种网络则容易处于不稳定状态,而尤以以太网的表现最为明显,在网络的干扰率达到70%时,网络已经是完全失真了,且这两种网络在网络负载进一步增大的情况下都出现了严重的系统失真。另外,还可以得出令牌环网络(RoundRobin)和交换式以太网(SwitchedEthernet)在低负载(0%)情况下系统输出有一定振荡,其低负载情况不佳,但是其系统输出几乎不随网络负载发生变化;进一步仿真可以得到即使网络的负载率达到90%,后两种网络的输出也是没有变化的,这说明RoundRobin适用于高负载网络,且其表现的性能一直都很好,而SwitchedEthernet在很高负载(90%)时性能依然良好,但是其需要耗费的系统成本较高,系统运行时间也较长。

由此可以得出网络协议对于网络控制系统的设计和应用具有重大的影响。在网络通常处于低负载的情况下,网络控制系统可以选用以太网和CAN网,且CAN网还适合于中度负载的网络。而在系统经常处于高负荷的状态下,网络控制系统则可以选用令牌环网和交换式以太网,但是交换式以太网需要系统具有较强的计算能力。

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