王成功， 付麗霞， 張 勇， 毛劍琳

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

?

交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)傳感器變采樣調(diào)度研究*

王成功， 付麗霞， 張 勇， 毛劍琳

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動化學(xué)院，云南 昆明 650500)

針對基于交換式以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制性能優(yōu)化問題，提出了傳感器根據(jù)給定值與實測值差額的絕對值對照靜態(tài)調(diào)度表變采樣周期的調(diào)度優(yōu)化方法。使用TrueTime 2.0工具箱搭建了交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真平臺進行仿真研究,并與定采樣周期方法進行了對比，仿真結(jié)果驗證了其可行性。此方法在實際的工程應(yīng)用中具有一定的參考價值。

交換式以太網(wǎng); 變采樣周期; 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng); 調(diào)度優(yōu)化

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(networked control systems，NCSs)[1]涉及了通信技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)三方面，它取代了傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)，相對于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，布線少、方便安裝和操作，靈活性更高。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用“全雙工+微網(wǎng)段”通信方式的交換式以太網(wǎng)[2,3]的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)愈發(fā)成熟，但目前其數(shù)據(jù)傳輸和控制性能還有待完善。

目前在NCSs的調(diào)度研究方向，陳丹丹等人[4]從調(diào)度優(yōu)化和基于表的動靜態(tài)調(diào)度等方面總結(jié)了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法；文獻(xiàn)[5～8]針對NCSs信息調(diào)度和控制與調(diào)度協(xié)同設(shè)計進行研究，分類介紹了NCSs中信息調(diào)度算法，然后從提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用性能的角度，分析和評價了NCSs中控制與調(diào)度協(xié)同設(shè)計的研究成果。

本文學(xué)習(xí)文獻(xiàn)[5～8]從提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用性能的角度，針對目前在工業(yè)上使用的交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，引入文獻(xiàn)[4]基于表的動靜態(tài)調(diào)度思想，提出了傳感器根據(jù)給定值與實測值差額的絕對值對照靜態(tài)調(diào)度表變采樣周期調(diào)度方法并進行研究，使用TrueTime 2.0工具箱搭建了基于交換式以太網(wǎng)的NCSs仿真平臺，對此方法在網(wǎng)絡(luò)無丟包和丟包率為10 %的情況下進行了仿真并與傳統(tǒng)的定采樣周期調(diào)度方法進行比較，仿真結(jié)果驗證了此方法能夠優(yōu)化該控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制性能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與建模

在采用交換式以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，傳感器采集被控對象的實時數(shù)據(jù)包裝成數(shù)據(jù)包,然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制器(如工業(yè)控制電腦，此類系統(tǒng)中一個控制器負(fù)責(zé)多個控制任務(wù)的計算)，控制器計算完成后將相關(guān)數(shù)據(jù)包裝成數(shù)據(jù)包后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行器，執(zhí)行器接收到控制信號后進行相應(yīng)的控制操作。本文根據(jù)此類系統(tǒng)的構(gòu)成，基于TrueTime 2.0工具箱建立了相應(yīng)的控制系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。

圖1 交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)模型Fig 1 Model for switched Ethernet control system

其中，傳感器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點用一個TrueTime Kernel模塊建立，控制器節(jié)點用一個TrueTime Kernel模塊建立，交換機用一個TrueTime Network模塊建立。傳感器節(jié)點采用時間驅(qū)動，使用固定優(yōu)先級(fixed-priority)調(diào)度；控制器節(jié)點用采用事件驅(qū)動，使用固定優(yōu)先級調(diào)度，采樣數(shù)據(jù)到達(dá)時，計算控制量并輸出；執(zhí)行器節(jié)點采用事件驅(qū)動，使用固定優(yōu)先級調(diào)度，控制數(shù)據(jù)到達(dá)時，執(zhí)行相關(guān)控制操作；網(wǎng)絡(luò)采用交換式以太網(wǎng)，執(zhí)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)以及模擬丟包等操作。

2 實例仿真

表1 靜態(tài)調(diào)度表

2.1 網(wǎng)絡(luò)無丟包情況下的輸出波形對比

由圖2(a)可見，兩種方法在0～0.55 s之間的輸出波形基本一致，在0.55～0.65 s之間的差異較大，其中,變采樣周期方法在0.6 s前達(dá)到給定值并繼續(xù)貼近，定采樣周期方法在0.65 s后達(dá)到給定值并繼續(xù)貼近，前者的超調(diào)量略大。

2.2 網(wǎng)絡(luò)丟包率為10 %情況下的輸出波形對比

由文獻(xiàn)[9,10]中對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的丟包研究得知，在網(wǎng)絡(luò)丟包率大于10 %的情況下，控制系統(tǒng)很難保持其性能，因此本文選取網(wǎng)絡(luò)丟包率為10 %的情況進行研究。

圖2 無丟包和網(wǎng)絡(luò)丟包率為10 %情況下的輸出波形Fig 2 Output waveform while network without packetloss and packet loss probability is 10%

由圖2(b)可見，兩種方法在0～0.55 s之間的輸出波形基本一致，在0.55～0.7 s之間的差異較大，其中變采樣周期方法在0.6左右基本達(dá)到給定值并繼續(xù)貼近，定采樣周期方法在0.7 s達(dá)到給定值并繼續(xù)貼近，兩者的超調(diào)量相當(dāng)。

2.3 兩種情況下的傳感器采樣周期調(diào)度對比

圖3為傳感/執(zhí)行1和傳感/執(zhí)行2模塊的調(diào)度端口輸出波形中傳感器調(diào)度部分的截圖(有輸出代表在該時刻進行采樣)，為了防止波形過密影響觀察，此處變采樣方法只展示前1 s的圖像，定采樣方法只展示前0.5 s的圖像。

由圖3(a)和圖3(c)可見，定采樣周期方法在網(wǎng)絡(luò)無丟包和網(wǎng)絡(luò)丟包率為10 %兩種情況下的采樣周期調(diào)度波形完全一致且均勻分布；由圖3(b)和圖3(d)可見，變采樣周期方法在網(wǎng)絡(luò)無丟包和網(wǎng)絡(luò)丟包率為10%兩種情況下的采樣周期調(diào)度波形不完全一致且有密有疏。其中在0～0.1 s和0.5～0.6 s兩個區(qū)間密度較大，說明這兩個區(qū)間采樣周期較小，對照圖2和圖3可知，此時間段數(shù)據(jù)差額較大，在0.2～0.5 s和0.7～1 s兩個區(qū)間密度較小，說明這兩個區(qū)間采樣周期較大，對照圖2可知，此時間段數(shù)據(jù)差額較小。

圖3 網(wǎng)絡(luò)無丟包和丟包率為10 %情況下的固定采樣周期和變采樣周期傳感器調(diào)度Fig 3 Fix sampling period and variable sampling period sensor scheduling without packet loss and 10 % packet loss rate

由于在采用交換式以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，丟包是必然存在的問題之一，所以，傳感器根據(jù)差額變采樣周期的調(diào)度方法在優(yōu)化控制性能方面理論上是優(yōu)于定采樣周期的。此外，由圖3可見，變采樣周期較定采樣周期能夠在數(shù)據(jù)差額較大時減小采樣周期，在數(shù)據(jù)差額較小時增大采樣周期，更合理的占用系統(tǒng)的帶寬，間接優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸。

3 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的調(diào)度問題是影響其控制性能的關(guān)鍵因素之一，本文通過TrueTime工具箱對現(xiàn)在在工業(yè)控制中使用的交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)進行建模并通過仿真實驗，將傳感器根據(jù)差額變采樣周期調(diào)度方法與定采樣周期方法進行對比分析，結(jié)果證明,前者能夠優(yōu)化交換式以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制性能。此方法在實際的工程應(yīng)用中具有一定的參考價值。

[1] Rachana Ashok Gupta,Chow Mo-Yuen.Networked control system:Overview and research trends[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(7):2527-2535.

[2] Lee Kyung Chang,Lee Suk.Performance evaluation of switched Ethernet for networked control systems[J].IEEE,2002,4(4):3170-3175.

[3] Huang Zhen,Zhang Yongtao.Modelling and simulation of switched Ethernet[C]∥The Second International Conference on Computer Modeling and Simulation,2010:494-498.

[4] 陳丹丹,夏 立,王海峰.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法的研究現(xiàn)狀與展望[J].化工自動化及儀表,2008,35(2):1-6.

[5] 王 艷,陳慶偉,樊衛(wèi)華,等.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制與調(diào)度協(xié)同設(shè)計的研究進展[J].兵工學(xué)報,2007,28(1):101-106.

[6] Li Weilin,Zhang Xiaobin,Li Huimin.Co-simulation platforms for co-design of networked control systems:An overview[J].Control Engineering Practice,2014,23(1):44-56.

[7] Sun Liankun,Wu Jigang.Schedule and control co-design for networked control systems with bandwidth constraints[J].Journal of the Franklin Institute,2014,351(351):1042-1056.

[8] 牛 云,吳旭光.分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)優(yōu)化協(xié)同設(shè)計[J].計算機測量與控制,2011,19(3):571-574.

[9] 周 艷,陳永建.基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺的構(gòu)建及其仿真分析[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2012,26(4):18-22.

[10] 王俊杰,孫君曼.基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)化控制仿真平臺的構(gòu)建[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2011,26(1):79-82.

付麗霞，通訊作者，E—mail: 75356730@qq.com。

Research on sensor varying sampling scheduling based on switched Ethernet control system*

WANG Cheng-gong， FU Li-xia， ZHANG Yong， MAO Jian-lin

(Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

Contrapose data transmission and control performance majorization problem of the network control system based on switched Ethernet,propose a schedule optimization which use variable sampling period according to absolute value of the difference between set and measured values compared with static scheduling table.A switched Ethernet control system simulation platform is built by using TureTime 2.0 toolbox to perform simulation research and make a comparison with fixed sampling period method. Simulation results show feasibility of this method.This method has a certain reference value in practical engineering applications.

switched Ethernet; variable sampling period; networked control systems; scheduling optimization

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0027—03

2016—01—18

國家自然科學(xué)基金資助項目(61163051);云南省教育廳科學(xué)研究基金資助項目(2015Y071)

TP 272

A

1000—9787(2016)12—0027—03

王成功(1990-)，男，山東青島人，碩士，研究方向為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。