摘 要：隨著網絡技術日趨成熟，以太網絡在控制系統中的應用也成為研究熱點之一。穩定性是NCS能夠正常工作的首要條件，然而時延的存在給網絡控制系統帶來了很大的不確定性。在對時延進行分析后，針對時延的主要部分解決問題，并提出了指令推測技術，為Ethernet NCS響應時間保障機制提供理論基礎。

關鍵詞：網絡控制系統;以太網;響應時間

Abstract: With the development and maturity of network technology, Ethernet is becoming one of hotspots in application of control system. Stability is the first condition which NCS can work in gear. However, existence of time-delay brings great uncertainty to NCS. After analyzing time-delay and account for some questions according to main of time-delay, instruction speculation technology is brought forward in this paper, which offers theory basis for NCS response time guarantee mechanism.

Keywords: NCS; Ethernet; response time

引言

在現代社會里, 網絡無處不在,它充滿了社會的各個領域, 如管理決策、資源共享、自動化制造工廠、電廠、機器人、高級的航天航空器和電氣化運輸工具等許多高科技領域和大型企業。

網絡控制系統NCS（networked control system）是基于網絡的分布式控制系統，融合了計算機技術、通信技術與控制技術，體現了控制系統的網絡化、集成化、節點智能化的發展趨勢[1]。網絡控制系統結構如圖1所示。

圖1 網絡控制系統結構

NCS的概念自從20 世紀90 年代初被提出，就立刻引起了人們的關注。將計算機網絡集成為控制系統取代傳統的點對點有線連接，使系統成本降低、負擔減輕、節約能量、安裝與維護簡化及可靠性高等，它不但可以節省人力資源、減少企業開銷，而且在提高企業效率，增加利潤等方面有著積極的作用，因此網絡控制系統廣泛應用于工廠、交通、智能建筑系統及其他場合。同時，NCS對傳統的控制系統理論和應用提出了新的挑戰。目前，網絡控制系統是控制界研究的熱點之一。

然而通過以太網絡交換數據時卻不可避免地存在著網絡時延，NCS對實時性要求又比較高，因而時延的存在將會帶來比較大的危害，不但會大大降低系統的性能，甚至會引起系統的不穩定。

2 以太網NCS的實時性研究

2.1 以太網實時性分析

以太網采用帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協議（CSMA/CD），并且采用二進制后退算法（BEB）處理沖突。當一個節點要發送數據時，它首先監聽網絡的信道是否空閑。如果信道空閑，就邊發送數據邊發送檢測是否有沖突。沒有沖突則繼續發送直到發完全部數據;若有沖突則停止發送數據且發送一個加強沖突的JAM信號，持續監聽到一個隨機時間，直到信道空閑時發送出未發完的數據。

對于遠程網絡控制系統，一般采用Internet進行網絡控制。Internet上的傳輸速率由于傳輸數據的大小和網絡負載的原因而波動很大，導致傳播延遲的不確定。一般情況下，網絡負載控制在25%以下，網絡傳輸就不會超載，傳播延遲將會很小;當網絡負載在25%以上，傳播延遲將隨著網絡負載的上升而增加。

由此可見，以太網在通信過程中存在延遲不確定性。當節點間發生沖突時，其等待時間和傳播時間隨機產生，具有不確定性，因此無法給出以太網的延遲時間的上界，不能保證數據傳輸的最大遲滯要求，即實時性要求，也不能滿足工業自動化中的信息傳輸對網絡互聯技術的需求，所以，對于響應時間要求嚴格的控制過程就會產生沖突。

2.2 NCS的實時性

所謂實時（Real Time） 性是指系統對外界激勵及時做出響應的能力,常用系統對外界激勵的響應時間來定量描述。不同的NCS對實時性的要求往往是不同的。控制網絡中數據傳輸的及時性和系統響應的實時性是控制系統最基本的要求，就是說實時網絡NCS中各節點間數據傳輸的時間是確定的，即可預測的。NCS中的數據傳輸是具有時限的，如果網絡中數據傳輸的時間超出了時限，即使接收方收到了數據，系統也認為此次數據傳輸失效[2]。

一般來說，過程控制系統的響應時間要求為0.01～0.5s，制造自動化系統的響應時間為0.5～2.0s，而普通信息網絡的響應時間要求為2.0～6.0s。通常,在控制網絡中,每一臺控制器要具有一定的實時性。以太網在通信過程中的延遲不確定性，使它不能很好地滿足網絡控制系統的實時性要求，這帶來的后果可能是災難性的。因此，以太網要應用于網絡控制系統必須解決實時性問題。

3 響應時間保障機制

3.1 競爭優先級機制

在遠程實時控制的傳感器端，數據通常會在MAC層中進行排隊，等待通過網絡傳送到控制器。然而傳感器端常常會有緊急數據需要傳輸，如報警信息。對于這類緊急數據，必須以最短的時間延遲傳輸到遠程監控端，由監控端及時做出決策和處理。原理如下：

在TCP中,等待發送的數據以字節流的形式存放在MAC層的緩沖區中。普通數據都編有序號,發送的時候按照序號的大小從小到大依次發送。當有緊急數據需要發送時,如果把這些緊急數據也編上序號順序發送,則會因為前面小序號的數據未發送而耽擱緊急數據的發送。因此,緊急數據不能按照普通數據編號后順序發送,而只能采取帶外數據的方式發送,即不管該緊急數據產生時在它前面還有多少未發送的普通數據,該緊急數據都將插在下一個將要發送的數據前面而被發送。通過在TCP 報頭的代碼域中設置緊急數據位（URG bit） 表示該TCP 數據段中含有緊急數據。TCP 報頭中的緊急指針指出了緊急數據在TCP數據段中的結束位置 。

通過對緊急數據的處理，大大縮短了緊急數據的發送時間，保證使緊急數據在產生后能立即發出，避免出現重大事故。

3.2 數據的處理

在發送端，傳感器往往會在較短的時間內收集到大量的信息，如果將這些信息全部發送到控制器，就會增加網絡的負載量，這對NCS在Ethernet中快速實時響應是不利的，所以在數據由傳感器發送到控制器之前要先進行數據處理：數據過濾和數據壓縮。

數據過濾就是發送端對傳感器收集到的數據信息進行篩選過濾，將有用的信息保留下來，去除無用信息。我們在傳感器端裝配一個微型控制器，記錄最新幾個采集的數據，然后根據最小二乘法對其進行曲線擬合，以此來判斷最后一次采集的數據點是否符合該曲線擬合，如果符合，則將其發送給控制器，否則丟棄。

數據壓縮是用數據編碼或變換獲得原數據的歸約或壓縮表示。雖然壓縮數據會增加傳感器端額外的運行負擔，還要花費控制端的解壓時間，但是比起繁雜的數據在網絡中的傳輸時間，特別是在網絡較忙時來說，無疑還是大大的縮減了響應時間。同時，通過壓縮，我們還可以一次性傳輸較多的信息，很好的滿足了實時性，有利于控制端及時地作出判斷、進行處理。

3.3 指令推測技術

在遠程監控系統中，對離散事件的監控形成的傳感器-控制器-執行器網絡控制環在整個廣域網是閉合的。一個控制網絡至少應有3個節點，來自各個節點的對象輸出常常是耦合的，存在不同的時間標尺的輸出，所以信息擁塞是一個共同的問題。

遠程以太網絡上的傳輸速率由于傳輸數據量的大小和網絡負載的原因而波動很大。如果網絡速度高而通信量少，在這樣的一個網絡中引入反饋信息的延遲時間很短，可以不考慮網絡的存在而應用傳統的設計方法。但是如果發生網絡擁塞，就會導致以太網傳輸最短時間的不確定，這是影響其成為控制網絡的最主要障礙。

在Internet上進行傳輸，數據包傳輸的平均延遲和目的節點與起始節點之間的距離長度沒有明顯的關系，因此著重考慮網絡的負載量[3]。

遠程網絡控制系統中，傳感器、執行器與控制器之間相隔很遠，而在一些時間段，由于大量的用戶使用網絡，使得網絡十分繁忙，所以從傳感器傳出的數據也許不能在規定的時間內到達控制器，這將直接影響網絡控制系統的穩定性與安全性，所以控制器必須快速地做出正確決策，將執行信息發送到執行器。

因此，網絡會規定一個時間，傳感器會在這個規定的時間內向控制器不斷地發送信息。控制器在每次獲取信息時，都會將此數據點記錄下來，按時間順序進行排隊，我們假設控制器允許記錄的數據點為10個，當第十一個數據點傳來時，拋棄第一個數據點，后面的數據點依次前進，第十一個數據點存入第十個記錄，依次類推。在某一個時刻，傳感器沒有在規定的時間內將信息傳送到控制器，控制器就會向傳感器發送重傳命令，同時，控制器根據所記錄的數據點推測出該時刻傳感器可能會傳來的信息。在對這些數據點進行利用之前,先對這些數據點進行分析和處理, 如剔除誤差較大的或明顯不正確的點, 以提高數據的準確性;有時由于條件限制，不能通過現有的測量手段得到希望的數據量, 則可以通過測量其它的量, 并對所測得的數據進行運算, 便可間接地得到所希望的數據等等[4]。然后使用最小二乘法對所得的離散點進行曲線擬合，并對擬合而成的曲線繪制成圖。根據這條曲線，推斷出下一個時刻傳感器可能會傳來的信息，并做決策，將執行信息發送到執行器。

在最小二乘法中，假設在XOY 直角坐標系中有m+1 對數據

其中xi∈[a,b]。現選定n+1（n≤m）個在區間[a,b]上連續且在點集｛xi，i=0,1,?,m｝上線性無關的基函數φj （x）（j=0,1,?,n），用曲線

去代替數據（1）所反映的函數關系。若曲線（2）使得誤差平方和達到最小，則稱y（x）為按最小二乘法確定的對于數據（1）的擬合曲線。基函數φj （x）的選擇通常根據具體問題的物理背景或坐標點的分部情況去選擇。擬合曲線中系數cj 的求解過程如下：由（3）式分別對Cj（j=0,1,?,n）求導，并令導數等于零，解方程組求得C0,C1,?,Cn的值，從而求得y（x）的具體表達式。最后，根據所得到的曲線表達式，預測下一個時間傳感器將可能傳送的數據節點值[5]。

在溫度網絡控制系統中，在t11時刻，由于網絡負載量過大，數據點無法及時的傳送到控制器中，控制器就會根據之前傳感器傳來的溫度參數進行分析和判斷，做出決策，然后將執行信息發送到執行器。如圖2所示。系統根據傳感器傳來的前十個數據節點，利用最小二乘法，獲取擬和曲線方程，進一步估算出下一個時間傳感器將可能傳送的數據節點值。

圖2 對離散數據點進行曲線擬合

4 總結與展望

以太網是目前應用最廣泛的局域網技術，它具有開放性、低成本和廣泛應用的軟硬件支持等明顯優勢。本文的創新之處在于運用最小二乘法原理，提出了指令推測技術，著重在于解決因網絡擁塞而使得傳感器發送的數據節點無法及時傳送到控制器段，對NCS中的控制器無法快速地作出正確的決定所造成的巨大影響。將控制與以太網結合起來，可以增強網絡的控制能力，提高異地的網絡控制效率，具有良好的發展前景。但是，控制網絡對響應時間的要求卻極為苛刻，帶沖突檢測的以太網和網絡中不確定的負載量很大程度地制約了控制網絡的響應時間。本文通過對時間延遲組成分析，介紹幾種解決方法，重點提出了指令推測技術，極大的避免了因網絡擁塞對NCS所造成的巨大影響，具有很好的實用性，為網絡控制系統的響應時間機制提供了理論基礎。

參考文獻

[1] 顧洪軍，張佐等. 網絡控制系統的實時特性分析及數據傳輸技術. 計算機工程與應用，2001.6

[2] 崔彥勇，郭小和. 網絡控制系統方法實時性分析及其應用. 洪都科技，2005

[3] 郭雅萌，王建新等. 網絡監控的實時性研究. 外國電子測量技術，2006.1

[4] 張養利，趙麗娟等. Matlab 在數據處理中的應用. 第四軍醫大學學報，2001;22

[5] 袁佑新，甘偉. Matlab與VC混合編程在網架結構智能監測系統中的應用. 微計算機信息，2006.1-1