摘 要：本文針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實際倒立擺對象的起擺與鎮(zhèn)定問題，研究分析了普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)模型對系統(tǒng)控制性能的影響。實驗結(jié)果表明在交換以太網(wǎng)環(huán)境下，倒立擺系統(tǒng)的控制性能得到較大的改善。 關(guān)鍵字：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，倒立擺，交換以太網(wǎng) 1 引言 　　近年來，隨著控制系統(tǒng)的日益發(fā)展，大量的分布式實時控制系統(tǒng)被應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)控制領(lǐng)域，控制器、傳感器以及執(zhí)行器在空間上分布越來越趨向分散化，而對于信息資源共享能力，及控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性的要求卻逐步提高，控制系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)集成化、分布化、高靈活性的發(fā)展趨勢。應(yīng)運而生的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)正是日益完善的計算機網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)與控制理論相融合的產(chǎn)物;在為傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)、控制方法以及人機協(xié)作等方面注入新的內(nèi)涵的同時，帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)。 　　通常研究的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）具有如下的特點：信息在控制系統(tǒng)各單元間通過共用網(wǎng)絡(luò)進行交換;高效的信息共享和數(shù)據(jù)交換;少量的線路連接以及槽架搭建;便捷的系統(tǒng)維護和故障診斷等。但是由于網(wǎng)絡(luò)的介入，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中顯露了很多不同于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的新問題，主要表現(xiàn)在：信息流的傳輸延遲問題;由于網(wǎng)絡(luò)堵塞或傳輸中斷引起的時序錯亂、數(shù)據(jù)包丟失問題。針對這兩個問題，目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，采用了很多不同的網(wǎng)絡(luò)模型和數(shù)據(jù)處理算法，如CAN、Ethernet、TDMA、退避算法等。 　　近兩年，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，交換以太網(wǎng)技術(shù)得到了進一步的普及，相對于普通以太網(wǎng)技術(shù)而言，其性價比近年來得到了大幅度提高。下面本文針對普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)，這兩種目前最主要的網(wǎng)絡(luò)模型，比較了它們對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的影響。 2 網(wǎng)絡(luò)模型分析 　　本節(jié)主要說明了普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)，兩個網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)傳輸原理，并進行了簡要的比較。 　?、倨胀ㄒ蕴W(wǎng) 　　此類網(wǎng)絡(luò)采用載波偵聽多路訪問/沖突檢測（CSMA/CD）技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)上的每個結(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包前需要偵聽傳輸媒介是否空閑，如果空閑則發(fā)送，否則等待一段時間τ（μs），再次檢測，以判斷是否繼續(xù)等待;等待時間隨等待次數(shù)指數(shù)增長。如果兩結(jié)點同時發(fā)送則產(chǎn)生沖突，則在傳輸媒介上發(fā)送沖突信號并等待。如果等待次數(shù)超過一個預(yù)先設(shè)定值，則此次發(fā)送失敗，有可能是網(wǎng)絡(luò)故障。由此過程可知，普通以太網(wǎng)適用于網(wǎng)絡(luò)負載較低情況下的數(shù)據(jù)傳輸，且數(shù)據(jù)延時較長;對于高負載、實時性高的場合，此類網(wǎng)絡(luò)模型一般不能滿足數(shù)據(jù)傳輸所要求的性能。 　　②交換以太網(wǎng) 　　相對于普通以太網(wǎng)所用的集線器（HUB）而言，交換以太網(wǎng)在集線器中引入了數(shù)據(jù)交換機制，利用存儲—轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)克服了普通以太網(wǎng)傳輸實時性差，等待時間長的缺點。此類設(shè)備在外形上類似于集線器，但在內(nèi)部電路中增加了存儲芯片，用于各端口數(shù)據(jù)發(fā)送的緩沖和網(wǎng)絡(luò)中MAC地址的保存。同時，由于采用了數(shù)據(jù)交換技術(shù)，使得各個接入端口之間可以同時發(fā)送數(shù)據(jù)，隨著緩存芯片的增大，各個端口之間同時可以發(fā)送的數(shù)據(jù)也隨之增多。從而保證了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，大幅度降低了數(shù)據(jù)傳輸延時。 3 實驗結(jié)果 　　下面以固高公司的一級直線型倒立擺為被控對象，主要研究上述兩種網(wǎng)絡(luò)模型對控制性能的影響。為了便于控制器設(shè)計，對對象模型進行了簡化，假設(shè)擺桿為勻質(zhì)剛體，忽略空氣阻力、滑動小車與導(dǎo)軌之間的靜態(tài)摩擦及擺桿與轉(zhuǎn)動節(jié)點之間的摩擦力。對象的各參數(shù)如下：滑動小車的質(zhì)量 M=1.32（Kg），擺的質(zhì)量 m=0.109（Kg），小車摩擦系數(shù)b=0.1（N/m/sec），重力加速度 g=9.8（m/s[sup]2[/sup]），質(zhì)心距節(jié)點的距離L=0.25（m），轉(zhuǎn)動慣量J=0.00227（Kg.m[sup]2[/sup]）。 　　記φ為擺桿偏角，即擺桿與豎直向上方向的夾角，取順時針方向為正方向。v（t）為作用在驅(qū)動電機上的電壓，f（t）為作用于小車且平行于導(dǎo)軌的外力，通過對滑動小車和擺桿的受力分析和推導(dǎo)，且忽略交流電機的動特性并且假設(shè)交流電機由v到f的靜態(tài)增益為1，可以得到如下倒立擺系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達式： 　　（1） 　　其中：選取z[sub]1[/sub]代表小車位移，z[sub]2[/sub]代表小車速度，z[sub]3[/sub]代表擺桿偏角，z[sub]4[/sub]代表擺桿角速度四個變量為狀態(tài)變量，則， 　　 　　針對上述倒立擺對象，可構(gòu)建如下的網(wǎng)絡(luò)控制環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：A、B、C、D為控制網(wǎng)絡(luò)中的四個節(jié)點;A、D為用于增大網(wǎng)絡(luò)信息量的干擾節(jié)點;C為控制器節(jié)點;B為直接與倒立擺裝置相連的傳感器和執(zhí)行器節(jié)點，E為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備;從圖1中可以看到，該網(wǎng)絡(luò)中存在如下三條數(shù)據(jù)通信鏈路：干擾節(jié)點A→D（為適當(dāng)簡化問題，忽略干擾節(jié)點D→A這一數(shù)據(jù)通信鏈路）、傳感器節(jié)點B→控制器節(jié)點C、控制器節(jié)點C→執(zhí)行器節(jié)點B; [align=center] 圖1 倒立擺網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　試用如下的切換控制律（2）,測試了普通以太網(wǎng)和交換以太網(wǎng)對倒立擺的起擺與鎮(zhèn)定控制性能的影響。 　　（2） 　　其中，V[sub]max[/sub]為驅(qū)動電機的電壓上限，此處取為12.5（v），即電壓在-12.5～12.5（v）之間變化;通過計算和實驗分析，取ω=5.422，Klqr可通過系統(tǒng)（1）的近似線性模型，用極點配置的方法確定;如當(dāng)極點選做[-1 -2 -3 -4]時，可得Klqr=[-1.1 -2.39 -30.09 -5.25]。 　?、倨胀ㄒ蕴W(wǎng) 　　該網(wǎng)絡(luò)中，采用3Com公司生產(chǎn)的“OfficeConnect Dual Speed Hub 8”集線器作為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備E，該設(shè)備上有8個10/100自適應(yīng)RJ-45端口，無傳輸緩存。每個端口理論上可實現(xiàn)100M的網(wǎng)絡(luò)帶寬。在控制律（2）的作用下，系統(tǒng)各狀態(tài)的響應(yīng)曲線如圖所示，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點調(diào)度曲線如圖所示。 [align=center] 圖2 普通以太網(wǎng)中各節(jié)點發(fā)送信息時序圖[/align] [align=center] 圖3 普通以太網(wǎng)中系統(tǒng)（1）各狀態(tài)響應(yīng)曲線圖[/align] 　　②交換以太網(wǎng) 　　該網(wǎng)絡(luò)中采用3Com公司生產(chǎn)的“OfficeConnect Dual Speed Switch 8 Plus”交換機作為網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備E，端口數(shù)量和特征與上述集線器類似，但該設(shè)備中帶1M的數(shù)有據(jù)緩存，用以實現(xiàn)交換機的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能。在控制律（2）的作用下，系統(tǒng)各狀態(tài)的響應(yīng)曲線如圖所示，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的調(diào)度曲線如圖所示。 [align=center] 圖4 交換以太網(wǎng)中各節(jié)點發(fā)送信息時序圖 圖5 交換以太網(wǎng)中系統(tǒng)（1）各狀態(tài)響應(yīng)曲線圖[/align] 　　從以上各圖中可以看到，普通以太網(wǎng)環(huán)境下，各個節(jié)點間不能同時發(fā)送數(shù)據(jù)，而這種局限在交換以太網(wǎng)環(huán)境下不存在，故控制律相同時，交換以太網(wǎng)環(huán)境下，倒立擺系統(tǒng)獲得了較好的控制性能。 4 結(jié)論 　　本文通過對兩種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，倒立擺擺起與鎮(zhèn)定控制問題的研究，比較了兩種網(wǎng)絡(luò)模型對系統(tǒng)控制性能的影響。最后通過實驗結(jié)果說明了采用交換以太網(wǎng)技術(shù)能較大程度地改善網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制性能。 參考文獻： 　　1. 吉逸、金勝昔，計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（3）：局域網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用，江蘇機械制造與自動化，2001，3。