交換式工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)化研究

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1、Y1052880申請(qǐng)上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文交換式工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)化研究系別：自麴焦丞專業(yè)：控劍堡途皇塑劍王翟學(xué)生：韭查蟹也j塑至2Co)導(dǎo)師：殛里壅麴攫上海交通大學(xué)2006年7月上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文換式工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)化研究，對(duì)于降低控制系統(tǒng)成本，實(shí)施先進(jìn)控制技術(shù)，提高我國(guó)的工業(yè)自動(dòng)化水平都具有重要意義。無(wú)論共享式工業(yè)以太網(wǎng)還是交換式工業(yè)以太網(wǎng)，當(dāng)用于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)時(shí)，都會(huì)在閉環(huán)控制回路中引入隨機(jī)的通信延遲。這些隨機(jī)延遲的存在會(huì)降低控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至使控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。解決這一問(wèn)題有兩種途徑：一是在設(shè)計(jì)控制算法時(shí)并不考慮數(shù)據(jù)的傳輸延遲，而是通過(guò)優(yōu)化工

2、業(yè)以太網(wǎng)盡可能減小網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲。另一種途徑是將網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲視為既定條件，通過(guò)設(shè)計(jì)合適的控制算法降低網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)控制系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響。本論文針對(duì)前一種途徑提出了交換式工業(yè)以太網(wǎng)的優(yōu)化方案，包括在源節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)中引入優(yōu)先級(jí)調(diào)度和流控制，通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)減少數(shù)據(jù)的傳輸延遲等。針對(duì)后～種途徑提出了改進(jìn)的時(shí)戳預(yù)測(cè)控制算法，將傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)算法和預(yù)測(cè)函數(shù)控制(PFCl算法在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中進(jìn)行了推廣。全文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：第一章為緒論，首先探討了交換機(jī)的引入為以太網(wǎng)支持實(shí)時(shí)工業(yè)通信所提供的新特性，如微網(wǎng)段和全雙工通信、基于IEEES02．

3、Ip的排隊(duì)特性、虛擬局域網(wǎng)技術(shù)等。然后進(jìn)一步總結(jié)了工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于實(shí)時(shí)工業(yè)通信時(shí)仍需解決的關(guān)鍵技術(shù)，如針對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)服務(wù)、以太網(wǎng)組播解決方案和以太網(wǎng)智能儀表的開發(fā)等。本章也對(duì)交換式工業(yè)以太網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概述。第二章對(duì)IEEES02．1p排隊(duì)特性和工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信的結(jié)合進(jìn)行了研究。首先分析了工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，然后針對(duì)工業(yè)通信中不同數(shù)據(jù)的傳輸要求，通過(guò)在源節(jié)點(diǎn)和交換機(jī)的介質(zhì)訪問(wèn)控制層中引入基于IEEES02．1p和最早截止期限優(yōu)先的調(diào)度方法，來(lái)改善工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸能力。最后通過(guò)OPNETModeler搭建的網(wǎng)絡(luò)仿

4、真平臺(tái)驗(yàn)證了該調(diào)度方案的可行性。第三章研究了基于網(wǎng)絡(luò)演算的交換式工業(yè)以太網(wǎng)傳輸延遲分析方法。網(wǎng)絡(luò)演算是源于多媒體通信領(lǐng)域的一種網(wǎng)絡(luò)特性分析工具，它通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)流的到達(dá)曲線和服務(wù)曲線，很容易得到數(shù)據(jù)幀的最大網(wǎng)絡(luò)延遲和最大數(shù)據(jù)積壓。本章結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)的通信特點(diǎn)，在對(duì)其實(shí)施優(yōu)先級(jí)調(diào)度和對(duì)非周期數(shù)據(jù)進(jìn)行流控制的基礎(chǔ)上，以網(wǎng)絡(luò)演算為工具推導(dǎo)了交換機(jī)對(duì)實(shí)時(shí)工業(yè)數(shù)據(jù)的服務(wù)曲線。最后以一個(gè)采用樹型拓?fù)涞娜粨Q式工業(yè)以太網(wǎng)模型為例，給出了計(jì)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)最大網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的方法。II摘要第四章和第五章分別以遺傳算法和圖劃分理論為工具，對(duì)交換式工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行了研究。首

5、先給出了交換式工業(yè)以太網(wǎng)拓?fù)鋬?yōu)化的主要設(shè)計(jì)原則，然后將他們構(gòu)建為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題：交換式工業(yè)以太網(wǎng)的拓?fù)鋬?yōu)化一方面要減少子網(wǎng)間的通信量，同時(shí)需要平衡各個(gè)子網(wǎng)的通信負(fù)荷和站點(diǎn)規(guī)模；此外，交換機(jī)物理?xiàng)l件的限制也為該優(yōu)化問(wèn)題設(shè)置了約束條件。在求解這～帶約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，第四章設(shè)計(jì)了遺傳算法來(lái)尋找該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的優(yōu)質(zhì)解。第五章采用圖劃分策略來(lái)求解同一優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)劃分該優(yōu)化問(wèn)題的一個(gè)圖表示來(lái)尋找理想的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌抡娼Y(jié)果表明這兩種方法得到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)明顯優(yōu)于隨機(jī)方法得到的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。第六章研究了目前交換式以太網(wǎng)中比較常用的四種組播方案：VLAN，IGMP

6、竊聽，CGMP，GMRP。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中大量采用“生產(chǎn)者一消費(fèi)者”的通信模式，這種通信模式使網(wǎng)絡(luò)中存在著大量的組播數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)交換機(jī)對(duì)組播數(shù)據(jù)采用的廣播式處理方式會(huì)大大降低交換式工業(yè)以太網(wǎng)的性能。本章通過(guò)對(duì)比分析現(xiàn)有四種二層組播方法的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了它們?cè)诠I(yè)以太網(wǎng)中各自的適用范圍，為實(shí)際應(yīng)用中選擇和設(shè)計(jì)合適的組播方案提供了參考。第七章和第八章針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)提出了改進(jìn)的時(shí)戳預(yù)測(cè)控制算法。其主要思想是在動(dòng)態(tài)矩陣控制算法和預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法中，引入時(shí)間戳來(lái)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信延遲的大小。在推導(dǎo)預(yù)測(cè)控制規(guī)律時(shí)，使用～個(gè)離散的延遲模型來(lái)預(yù)測(cè)對(duì)象的未來(lái)輸出，然后借鑒傳統(tǒng)預(yù)測(cè)控

7、制算法的基本策略，得到了適用于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的時(shí)戳動(dòng)態(tài)矩陣控制算法和時(shí)戳預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法。同時(shí)由TrueTime工具箱搭建了基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)。把時(shí)戳預(yù)測(cè)控制算法和傳統(tǒng)預(yù)測(cè)控制算法的性能進(jìn)行了對(duì)比。第九章在總結(jié)全文的基礎(chǔ)上，給出論文研究過(guò)程中得出的若干結(jié)論。同時(shí)也展望交換式工業(yè)以太網(wǎng)的發(fā)展方向，提出了一些需要進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)；優(yōu)先級(jí)調(diào)度：通信延遲；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；預(yù)測(cè)控制111Abs仃actNowadays，EthemetisthemostwidelyusedLocalAreaNetwork(LAN)c

8、ommunicationtechnology．WitIlitsin