網絡控制系統中網絡丟包的仿真分析

張曉倩，宋曉茹，曹建建

（1.西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032；2.西安工業大學 工業中心，陜西 西安 710032）

網絡控制系統中網絡丟包的仿真分析

張曉倩1，宋曉茹1，曹建建2

（1.西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032；2.西安工業大學 工業中心，陜西 西安 710032）

針對網絡控制系統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，建立了具有數據包丟失的網絡控制系統模型。仿真采用CAN總線的網絡控制系統的模型，為了保證系統的穩定，丟包率可以達到18%。結果表明：采用CAN總線可提高網絡控制系統承受的丟包率。

網絡控制系統；TrueTime工具箱；丟包率；控制網絡；穩定

網絡控制系統（Networked Control System）將不同地理位置的傳感器、控制器和執行器連接起來，通過網絡實現對被控對象的控制，優勢就是實現資源共享、遠程監測和控制[1]。針對網絡環境對控制系統帶來的網絡延時、數據包丟失、數據亂序等問題，Ish ii[2]研究了在網絡帶寬有限的情況下，對具有數據包丟失的網絡控制系統作了相應分析。Wei Zhang等[3]詳細討論了在具有時延情況下網絡控制系統的穩定性問題。邱占芝等[4]考慮了同時存在時延和數據包丟失的網絡控制系統的穩定性問題。樊衛華[5]討論了在沒有干擾的情況下，具有數據包丟失的網絡控制系統模型的建立。但并沒有對具有不同的控制網絡和不同的丟失率的網絡控制系統進行分析。本文考慮了控制網絡和數據包丟失，在具有一定干擾的情況下，仿真分析了在不同控制網絡的情況下，網絡控制系統能夠承受的丟包率。

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的聯合仿真工具箱，該工具箱能夠模擬網絡控制系統中時延、控制網絡、數據包傳輸速率、數據包丟失等對系統性能的影響，以及系統采用不同的調度方法和不同控制器進行模擬仿真，便于網絡控制系統的理論研究[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。本文利用網絡模塊（TrueTime Network）模擬數據包傳輸速率、數據包的大小和丟包率等網絡參數，用于分析各類參數對網絡控制系統的性能影響，具體的網絡模塊如圖1所示。

TrueTime Network模塊用于網絡控制系統中各個節點之間的通信，也可用于仿真不同局域網中的數據包的傳輸過程。其中，Network type用于設置控制網絡類型，Number of node用于設置模塊的編號，Data rate用于設置數據包傳輸速率，Minimum frame size用于設置最短的幀長，Loss probability用于設置網絡中數據包的丟失率，Initial seed用于設置開始取值位置。

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點。TrueTime Send模塊和 TrueTime Receive模塊可以與內核模塊混合使用搭建出完整的網絡控制系統的仿真模型，需要采用MATLAB或者C++編寫程序；也可以不使用內核模塊搭建完整的網絡控制系統模塊，不需要編寫程序。

圖1 TrueTime Network模塊

2 數據包丟失

在網絡控制系統中，分布在不同地理位置的傳感器、執行器通過網絡和控制器進行數據交換，在傳輸過程中，數據包丟失時常發生。第一：網絡節點中的微處理器一旦出現故障，系統中的保護措施以最快速度使故障節點恢復正常，但是，發生故障的時刻造成正常通信的任務失敗，最終使得數據包丟失；第二：通過網絡進行數據包傳輸，必然會發生沖突。一旦發生沖突，即使網絡通信協議具有重傳機制，若數據包重傳的時間超時，就放棄此次通信任務，造成數據包丟失；第三：網絡控制系統中網絡是數據傳輸的樞紐，在實際中傳輸數據的信道不可避免地受到外界環境的影響。外界環境的干擾造成信號的錯位、丟失，使得數據到達目的產生失真，在檢錯技術的機制數下，失真的數據包都被丟棄。

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

3 CAN總線

CAN總線協議是從最初為汽車工業開發的標準中發展而來的，CAN總線支持總線型的拓撲結構，雙絞線、同軸電纜或光纖作為傳輸介質。CAN總線協議使用的是載波幀聽多路存取/消息優先仲裁（CSMA/AMP）協議，該協議是面向消息的，且每個消息根據規定的優先級在網絡中進行傳輸，這樣就可以仲裁很多節點同時訪問網絡決定哪個節點獲得網絡的訪問權。CAN總線協議采用多主競爭方式結構的特點是網絡中每個節點可以不分主從在任意時間發送信息到其它的節點，也就是當網絡空閑時，每個節點對網絡都有訪問權。若當多個節點同時向網絡發送消息發生沖突，運用逐位仲裁原則，借助幀中開始部分的標識符，優先級高的節點可不受影響的繼續發送信息，而優先級低的節點主動停止發送數據，直到網絡空閑再傳輸。因此，不會出現節點沖突，避免了網絡擁塞的發生。

CAN總線優點：傳輸信號采用短幀結構，受干擾概率低，若節點嚴重錯誤，具有自動關閉輸出的功能，使其它節點不受影響，具有高可靠性。

4 網絡控制系統的仿真

4.1 仿真模型

1）網絡控制系統中傳感器采用時鐘驅動、控制器和執行器采用事件驅動。

2）數據傳輸產生的時延不考慮。

3）控制器參數設置為：K=1，TD=0.04。

4）采樣周期設置為0.01 s。

5）考慮干擾：網絡帶寬占用率為10%，傳輸速率為80 kbit/s。

4.2 仿真結果分析

通信模式設為Ethernet，丟包率為10%，仿真結果如圖3所示；通信模式不變，丟包率增大到18%，仿真結果如圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，當網絡控制系統中采用Ethernet，網絡帶寬占用率為10%時，隨著丟包率的增大，輸出曲線震蕩劇烈，曲線呈發散狀態，顯然系統已經不穩定。這是因為丟失的數據包不能到達接收端，丟包率越大，占用的傳輸通道比例越大，產生的時延越長，導致系統不穩定。

設丟包率為18%不變，通信模式改變為：CAN，仿真結果如圖5所示。

從圖4和圖5中可以看出，當網絡控制系統中網絡帶寬占用率為10%，丟包率為18%，采用Ethernet的網絡控制系統已經呈現失真的狀態，系統是不穩定的；而采用CAN總線的網絡控制系統輸出曲線雖然震蕩次數變多，但是最終能夠收斂，從而保證了系統的穩定，這是因為CAN總線具有重負載下的可靠性。

圖2 網絡控制系統的仿真模型

圖3 網絡控制系統仿真結果

圖4 網絡控制系統仿真結果

圖5 網絡控制系統仿真結果

5 結論

本文先分析數據包丟失的原因、數據包的丟失率和網絡控制系統的穩定性的關系，然后利用TrueTime工具箱建立網絡控制系統模型仿真驗證數據包丟失、控制網絡對網絡控制系統性能的影響，仿真結果表明控制網絡采用CAN總線，提高了網絡控制系統容忍的丟包率，因此設計網絡控制系統同時考慮丟包率和控制網絡能進一步提高網絡控制系統的性能。

[1]吳迎年，張建華，侯國蓮.網絡控制系統研究綜述[J].現代電力，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.存在時延和數據包丟失情況下狀態反饋網絡控制系統的指數穩定性[J].信息與控制，2005，34（5）:567-575.

[5]樊衛華.網絡控制系統的建模與控制[D].南京：南京理工大學，2004.

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

[7]白濤，吳智銘，楊根科.網絡化的控制系統[J].控制理論與應用，2004，21（4）:584-590.

[8]高謙.具有時延和丟包的網絡控制系統的分析與控制[D].魯東大學，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

陜西省自然科學基礎研究計劃（2014JM2-6093）

張曉倩（1983—），女，陜西大荔人，碩士研究生，助教。研究方向：網絡控制系統。