关键词：网络控制系统;以太网;响应时间
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
在现代社会里, 网络无处不在,它充满了社会的各个领域, 如管理决策、资源共享、自动化制造工厂、电厂、机器人、高级的航天航空器和电气化运输工具等许多高科技领域和大型企业。
网络控制系统NCS（networked control system）是基于网络的分布式控制系统，融合了计算机技术、通信技术与控制技术，体现了控制系统的网络化、集成化、节点智能化的发展趋势[1]。网络控制系统结构如图1所示。
图1 网络控制系统结构
NCS的概念自从20 世纪90 年代初被提出，就立刻引起了人们的关注。将计算机网络集成为控制系统取代传统的点对点有线连接，使系统成本降低、负担减轻、节约能量、安装与维护简化及可靠性高等，它不但可以节省人力资源、减少企业开销，而且在提高企业效率，增加利润等方面有着积极的作用，因此网络控制系统广泛应用于工厂、交通、智能建筑系统及其他场合。同时，NCS对传统的控制系统理论和应用提出了新的挑战。目前，网络控制系统是控制界研究的热点之一。
然而通过以太网络交换数据时却不可避免地存在着网络时延，NCS对实时性要求又比较高，因而时延的存在将会带来比较大的危害，不但会大大降低系统的性能，甚至会引起系统的不稳定。
2 以太网NCS的实时性研究
2.1 以太网实时性分析
以太网采用带冲突检测的载波侦听多路访问协议（CSMA/CD），并且采用二进制后退算法（BEB）处理冲突。当一个节点要发送数据时，它首先监听网络的信道是否空闲。如果信道空闲，就边发送数据边发送检测是否有冲突。没有冲突则继续发送直到发完全部数据;若有冲突则停止发送数据且发送一个加强冲突的JAM信号，持续监听到一个随机时间，直到信道空闲时发送出未发完的数据。
对于远程网络控制系统，一般采用Internet进行网络控制。Internet上的传输速率由于传输数据的大小和网络负载的原因而波动很大，导致传播延迟的不确定。一般情况下，网络负载控制在25%以下，网络传输就不会超载，传播延迟将会很小;当网络负载在25%以上，传播延迟将随着网络负载的上升而增加。
由此可见，以太网在通信过程中存在延迟不确定性。当节点间发生冲突时，其等待时间和传播时间随机产生，具有不确定性，因此无法给出以太网的延迟时间的上界，不能保证数据传输的最大迟滞要求，即实时性要求，也不能满足工业自动化中的信息传输对网络互联技术的需求，所以，对于响应时间要求严格的控制过程就会产生冲突。
2.2 NCS的实时性
所谓实时（Real Time） 性是指系统对外界激励及时做出响应的能力,常用系统对外界激励的响应时间来定量描述。不同的NCS对实时性的要求往往是不同的。控制网络中数据传输的及时性和系统响应的实时性是控制系统最基本的要求，就是说实时网络NCS中各节点间数据传输的时间是确定的，即可预测的。NCS中的数据传输是具有时限的，如果网络中数据传输的时间超出了时限，即使接收方收到了数据，系统也认为此次数据传输失效[2]。
一般来说，过程控制系统的响应时间要求为0.01～0.5s，制造自动化系统的响应时间为0.5～2.0s，而普通信息网络的响应时间要求为2.0～6.0s。通常,在控制网络中,每一台控制器要具有一定的实时性。以太网在通信过程中的延迟不确定性，使它不能很好地满足网络控制系统的实时性要求，这带来的后果可能是灾难性的。因此，以太网要应用于网络控制系统必须解决实时性问题。
3 响应时间保障机制
3.1 竞争优先级机制
在远程实时控制的传感器端，数据通常会在MAC层中进行排队，等待通过网络传送到控制器。然而传感器端常常会有紧急数据需要传输，如报警信息。对于这类紧急数据，必须以最短的时间延迟传输到远程监控端，由监控端及时做出决策和处理。原理如下：
在TCP中,等待发送的数据以字节流的形式存放在MAC层的缓冲区中。普通数据都编有序号,发送的时候按照序号的大小从小到大依次发送。当有紧急数据需要发送时,如果把这些紧急数据也编上序号顺序发送,则会因为前面小序号的数据未发送而耽搁紧急数据的发送。因此,紧急数据不能按照普通数据编号后顺序发送,而只能采取带外数据的方式发送,即不管该紧急数据产生时在它前面还有多少未发送的普通数据,该紧急数据都将插在下一个将要发送的数据前面而被发送。通过在TCP 报头的代码域中设置紧急数据位（URG bit） 表示该TCP 数据段中含有紧急数据。TCP 报头中的紧急指针指出了紧急数据在TCP数据段中的结束位置 。
通过对紧急数据的处理，大大缩短了紧急数据的发送时间，保证使紧急数据在产生后能立即发出，避免出现重大事故。
3.2 数据的处理
在发送端，传感器往往会在较短的时间内收集到大量的信息，如果将这些信息全部发送到控制器，就会增加网络的负载量，这对NCS在Ethernet中快速实时响应是不利的，所以在数据由传感器发送到控制器之前要先进行数据处理：数据过滤和数据压缩。
数据过滤就是发送端对传感器收集到的数据信息进行筛选过滤，将有用的信息保留下来，去除无用信息。我们在传感器端装配一个微型控制器，记录最新几个采集的数据，然后根据最小二乘法对其进行曲线拟合，以此来判断最后一次采集的数据点是否符合该曲线拟合，如果符合，则将其发送给控制器，否则丢弃。
数据压缩是用数据编码或变换获得原数据的归约或压缩表示。虽然压缩数据会增加传感器端额外的运行负担，还要花费控制端的解压时间，但是比起繁杂的数据在网络中的传输时间，特别是在网络较忙时来说，无疑还是大大的缩减了响应时间。同时，通过压缩，我们还可以一次性传输较多的信息，很好的满足了实时性，有利于控制端及时地作出判断、进行处理。
3.3 指令推测技术
在远程监控系统中，对离散事件的监控形成的传感器-控制器-执行器网络控制环在整个广域网是闭合的。一个控制网络至少应有3个节点，来自各个节点的对象输出常常是耦合的，存在不同的时间标尺的输出，所以信息拥塞是一个共同的问题。
远程以太网络上的传输速率由于传输数据量的大小和网络负载的原因而波动很大。如果网络速度高而通信量少，在这样的一个网络中引入反馈信息的延迟时间很短，可以不考虑网络的存在而应用传统的设计方法。但是如果发生网络拥塞，就会导致以太网传输最短时间的不确定，这是影响其成为控制网络的最主要障碍。
在Internet上进行传输，数据包传输的平均延迟和目的节点与起始节点之间的距离长度没有明显的关系，因此着重考虑网络的负载量[3]。
远程网络控制系统中，传感器、执行器与控制器之间相隔很远，而在一些时间段，由于大量的用户使用网络，使得网络十分繁忙，所以从传感器传出的数据也许不能在规定的时间内到达控制器，这将直接影响网络控制系统的稳定性与安全性，所以控制器必须快速地做出正确决策，将执行信息发送到执行器。
因此，网络会规定一个时间，传感器会在这个规定的时间内向控制器不断地发送信息。控制器在每次获取信息时，都会将此数据点记录下来，按时间顺序进行排队，我们假设控制器允许记录的数据点为10个，当第十一个数据点传来时，抛弃第一个数据点，后面的数据点依次前进，第十一个数据点存入第十个记录，依次类推。在某一个时刻，传感器没有在规定的时间内将信息传送到控制器，控制器就会向传感器发送重传命令，同时，控制器根据所记录的数据点推测出该时刻传感器可能会传来的信息。在对这些数据点进行利用之前,先对这些数据点进行分析和处理, 如剔除误差较大的或明显不正确的点, 以提高数据的准确性;有时由于条件限制，不能通过现有的测量手段得到希望的数据量, 则可以通过测量其它的量, 并对所测得的数据进行运算, 便可间接地得到所希望的数据等等[4]。然后使用最小二乘法对所得的离散点进行曲线拟合，并对拟合而成的曲线绘制成图。根据这条曲线，推断出下一个时刻传感器可能会传来的信息，并做决策，将执行信息发送到执行器。
在最小二乘法中，假设在XOY 直角坐标系中有m+1 对数据
其中xi∈[a,b]。现选定n+1（n≤m）个在区间[a,b]上连续且在点集｛xi，i=0,1,⋯,m｝上线性无关的基函数φj （x）（j=0,1,⋯,n），用曲线
去代替数据（1）所反映的函数关系。若曲线（2）使得误差平方和达到最小，则称y（x）为按最小二乘法确定的对于数据（1）的拟合曲线。基函数φj （x）的选择通常根据具体问题的物理背景或坐标点的分部情况去选择。拟合曲线中系数cj 的求解过程如下：由（3）式分别对Cj（j=0,1,⋯,n）求导，并令导数等于零，解方程组求得C0,C1,⋯,Cn的值，从而求得y（x）的具体表达式。最后，根据所得到的曲线表达式，预测下一个时间传感器将可能传送的数据节点值[5]。
在温度网络控制系统中，在t11时刻，由于网络负载量过大，数据点无法及时的传送到控制器中，控制器就会根据之前传感器传来的温度参数进行分析和判断，做出决策，然后将执行信息发送到执行器。如图2所示。系统根据传感器传来的前十个数据节点，利用最小二乘法，获取拟和曲线方程，进一步估算出下一个时间传感器将可能传送的数据节点值。
图2 对离散数据点进行曲线拟合
4 总结与展望
以太网是目前应用最广泛的局域网技术，它具有开放性、低成本和广泛应用的软硬件支持等明显优势。本文的创新之处在于运用最小二乘法原理，提出了指令推测技术，着重在于解决因网络拥塞而使得传感器发送的数据节点无法及时传送到控制器段，对NCS中的控制器无法快速地作出正确的决定所造成的巨大影响。将控制与以太网结合起来，可以增强网络的控制能力，提高异地的网络控制效率，具有良好的发展前景。但是，控制网络对响应时间的要求却极为苛刻，带冲突检测的以太网和网络中不确定的负载量很大程度地制约了控制网络的响应时间。本文通过对时间延迟组成分析，介绍几种解决方法，重点提出了指令推测技术，极大的避免了因网络拥塞对NCS所造成的巨大影响，具有很好的实用性，为网络控制系统的响应时间机制提供了理论基础。
参考文献
[1] 顾洪军，张佐等. 网络控制系统的实时特性分析及数据传输技术. 计算机工程与应用，2001.6
[2] 崔彦勇，郭小和. 网络控制系统方法实时性分析及其应用. 洪都科技，2005
[3] 郭雅萌，王建新等. 网络监控的实时性研究. 外国电子测量技术，2006.1
[4] 张养利，赵丽娟等. Matlab 在数据处理中的应用. 第四军医大学学报，2001;22
[5] 袁佑新，甘伟. Matlab与VC混合编程在网架结构智能监测系统中的应用. 微计算机信息，2006.1-1
