網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)丟包的仿真分析

張曉倩，宋曉茹，曹建建

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心，陜西 西安 710032）

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)丟包的仿真分析

張曉倩1，宋曉茹1，曹建建2

（1.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032；2.西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心，陜西 西安 710032）

針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中不可避免的丟包問題，利用TrueTime工具箱中的TrueTime Network模塊模擬不同的丟包率，建立了具有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。仿真采用CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，丟包率可以達到18%。結(jié)果表明：采用CAN總線可提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)承受的丟包率。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；TrueTime工具箱；丟包率；控制網(wǎng)絡(luò)；穩(wěn)定

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Networked Control System）將不同地理位置的傳感器、控制器和執(zhí)行器連接起來，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對被控對象的控制，優(yōu)勢就是實現(xiàn)資源共享、遠程監(jiān)測和控制[1]。針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對控制系統(tǒng)帶來的網(wǎng)絡(luò)延時、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)亂序等問題，Ish ii[2]研究了在網(wǎng)絡(luò)帶寬有限的情況下，對具有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作了相應(yīng)分析。Wei Zhang等[3]詳細討論了在具有時延情況下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。邱占芝等[4]考慮了同時存在時延和數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。樊衛(wèi)華[5]討論了在沒有干擾的情況下，具有數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型的建立。但并沒有對具有不同的控制網(wǎng)絡(luò)和不同的丟失率的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行分析。本文考慮了控制網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)包丟失，在具有一定干擾的情況下，仿真分析了在不同控制網(wǎng)絡(luò)的情況下，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能夠承受的丟包率。

1 TrueTime仿真工具箱

TrueTime 2.0工具箱是Lund University的Anton Cervin，Dan Henriksson和Martin Ohlin推出的基于 Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真工具箱，該工具箱能夠模擬網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中時延、控制網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)包傳輸速率、數(shù)據(jù)包丟失等對系統(tǒng)性能的影響，以及系統(tǒng)采用不同的調(diào)度方法和不同控制器進行模擬仿真，便于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的理論研究[6]。

TrueTime 2.0[7]工具箱主要包括TrueTime Kernel、True-Time Network、TrueTime Wireless Nerwork、TrueTime Battery、TrueTime Send、TrueTime Receive、TrueTime UItrasound等 7個模塊。本文利用網(wǎng)絡(luò)模塊（TrueTime Network）模擬數(shù)據(jù)包傳輸速率、數(shù)據(jù)包的大小和丟包率等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，用于分析各類參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能影響，具體的網(wǎng)絡(luò)模塊如圖1所示。

TrueTime Network模塊用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中各個節(jié)點之間的通信，也可用于仿真不同局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)包的傳輸過程。其中，Network type用于設(shè)置控制網(wǎng)絡(luò)類型，Number of node用于設(shè)置模塊的編號，Data rate用于設(shè)置數(shù)據(jù)包傳輸速率，Minimum frame size用于設(shè)置最短的幀長，Loss probability用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的丟失率，Initial seed用于設(shè)置開始取值位置。

TrueTime Send模 塊 和 TrueTime Receive模 塊 是TrueTime 2.0工具箱增加的兩個模塊，這兩個模塊都是只有一路的輸入接口和輸出接口，用于搭建單個輸入接口和單個輸出接口的獨立節(jié)點。TrueTime Send模塊和 TrueTime Receive模塊可以與內(nèi)核模塊混合使用搭建出完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真模型，需要采用MATLAB或者C++編寫程序；也可以不使用內(nèi)核模塊搭建完整的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模塊，不需要編寫程序。

圖1 TrueTime Network模塊

2 數(shù)據(jù)包丟失

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，分布在不同地理位置的傳感器、執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)和控制器進行數(shù)據(jù)交換，在傳輸過程中，數(shù)據(jù)包丟失時常發(fā)生。第一：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的微處理器一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)中的保護措施以最快速度使故障節(jié)點恢復(fù)正常，但是，發(fā)生故障的時刻造成正常通信的任務(wù)失敗，最終使得數(shù)據(jù)包丟失；第二：通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)包傳輸，必然會發(fā)生沖突。一旦發(fā)生沖突，即使網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議具有重傳機制，若數(shù)據(jù)包重傳的時間超時，就放棄此次通信任務(wù)，造成數(shù)據(jù)包丟失；第三：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，在實際中傳輸數(shù)據(jù)的信道不可避免地受到外界環(huán)境的影響。外界環(huán)境的干擾造成信號的錯位、丟失，使得數(shù)據(jù)到達目的產(chǎn)生失真，在檢錯技術(shù)的機制數(shù)下，失真的數(shù)據(jù)包都被丟棄。

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，一方面，主動丟棄一些未到達目的節(jié)點的數(shù)據(jù)包，接著重新發(fā)送丟棄的數(shù)據(jù)包，從而保證了系統(tǒng)中信號的及時更新和傳感器采樣數(shù)據(jù)時的有效性，也提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能，就采用主動丟棄數(shù)據(jù)包的策略；另一方面，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)帶寬的有限性都會造成數(shù)據(jù)包的被動丟失。不論網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)包丟失是主動的，或者被動的，總之，為了保證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的正常運行，允許系統(tǒng)中有一定的數(shù)據(jù)包丟失，但是數(shù)據(jù)包的丟失率超過一定值時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定，因此，數(shù)據(jù)包丟失是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計中不可忽略的因素[8]。

3 CAN總線

CAN總線協(xié)議是從最初為汽車工業(yè)開發(fā)的標準中發(fā)展而來的，CAN總線支持總線型的拓撲結(jié)構(gòu)，雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質(zhì)。CAN總線協(xié)議使用的是載波幀聽多路存取/消息優(yōu)先仲裁（CSMA/AMP）協(xié)議，該協(xié)議是面向消息的，且每個消息根據(jù)規(guī)定的優(yōu)先級在網(wǎng)絡(luò)中進行傳輸，這樣就可以仲裁很多節(jié)點同時訪問網(wǎng)絡(luò)決定哪個節(jié)點獲得網(wǎng)絡(luò)的訪問權(quán)。CAN總線協(xié)議采用多主競爭方式結(jié)構(gòu)的特點是網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點可以不分主從在任意時間發(fā)送信息到其它的節(jié)點，也就是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)空閑時，每個節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)都有訪問權(quán)。若當(dāng)多個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息發(fā)生沖突，運用逐位仲裁原則，借助幀中開始部分的標識符，優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)發(fā)送信息，而優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到網(wǎng)絡(luò)空閑再傳輸。因此，不會出現(xiàn)節(jié)點沖突，避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞的發(fā)生。

CAN總線優(yōu)點：傳輸信號采用短幀結(jié)構(gòu)，受干擾概率低，若節(jié)點嚴重錯誤，具有自動關(guān)閉輸出的功能，使其它節(jié)點不受影響，具有高可靠性。

4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真

4.1 仿真模型

1）網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中傳感器采用時鐘驅(qū)動、控制器和執(zhí)行器采用事件驅(qū)動。

2）數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的時延不考慮。

3）控制器參數(shù)設(shè)置為：K=1，TD=0.04。

4）采樣周期設(shè)置為0.01 s。

5）考慮干擾：網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率為10%，傳輸速率為80 kbit/s。

4.2 仿真結(jié)果分析

通信模式設(shè)為Ethernet，丟包率為10%，仿真結(jié)果如圖3所示；通信模式不變，丟包率增大到18%，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中采用Ethernet，網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率為10%時，隨著丟包率的增大，輸出曲線震蕩劇烈，曲線呈發(fā)散狀態(tài)，顯然系統(tǒng)已經(jīng)不穩(wěn)定。這是因為丟失的數(shù)據(jù)包不能到達接收端，丟包率越大，占用的傳輸通道比例越大，產(chǎn)生的時延越長，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

設(shè)丟包率為18%不變，通信模式改變?yōu)椋篊AN，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率為10%，丟包率為18%，采用Ethernet的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)呈現(xiàn)失真的狀態(tài)，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的；而采用CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)輸出曲線雖然震蕩次數(shù)變多，但是最終能夠收斂，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定，這是因為CAN總線具有重負載下的可靠性。

圖2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真模型

圖3 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本文先分析數(shù)據(jù)包丟失的原因、數(shù)據(jù)包的丟失率和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的關(guān)系，然后利用TrueTime工具箱建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型仿真驗證數(shù)據(jù)包丟失、控制網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的影響，仿真結(jié)果表明控制網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線，提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)容忍的丟包率，因此設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)同時考慮丟包率和控制網(wǎng)絡(luò)能進一步提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能。

[1]吳迎年，張建華，侯國蓮.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究綜述[J].現(xiàn)代電力，2003，20（5）:74-81.

[2]ISH II H D.H∞ control with limited communication and message losses[J].Systems and Control Letters，2008，57（4）: 322-331.

[3]W Zhang，MS Branicky，SM Phillips.Stability of networked control systems[J].Control Systems IEEE，2001，21（1）:84-89.

[4]邱占芝，張慶靈，連志春，等.存在時延和數(shù)據(jù)包丟失情況下狀態(tài)反饋網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定性[J].信息與控制，2005，34（5）:567-575.

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[6]劉喜梅，魏婉韻，于潔.基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實時仿真[J].微計算機信息，2007，34（3）：324-327.

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[8]高謙.具有時延和丟包的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與控制[D].魯東大學(xué)，2008.

Simulation analysis of network packet loss in networked control system

ZHANG Xiao-qian1，SONG Xiao-ru1，CAO Jian-jian2
（1.School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China；2.Industrial Center，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

In view of the inevitable packet loss in the networked control system，the networked control system model with data packet dropout is built by using the TrueTime Network module with simulation of different packet loss rate in TrueTime toolbox.In order to guarantee the stability of the system，packet loss rate can reach 18%when the simulation of network control system model using CAN bus.The conclusion is obtained that CAN bus can improve the packet loss rate of the networked control system.

networked control system；TrueTime toolbox；packet loss；control network；stability

TN914

A

1674－6236（2016）15-0099-03

2015-11-02 稿件編號：201511017

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃（2014JM2-6093）

張曉倩（1983—），女，陜西大荔人，碩士研究生，助教。研究方向：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。