工业以太网的传输延时特性分析与研究

摘要

随着控制系统规模的日益扩大，网络控制系统的应用越来越广泛。而工业以太网作为一种成功的信息网络技术，正日益显示出其在控制网络中的优势。目前工业界存在着几十种现场总线的协议标准，在多种协议并存且互不相让的情况下，以太网正在向下延伸进入控制层，成为统一现场总线的希望。在网络控制系统中，控制器、传感器和执行器都作为独立的节点，通过网络互相连接。这样，虽然减少了系统的布线，使系统易于维护，同时也由于网络的加入，而带来了其特有的缺点。由于各个节点都要通过网络分时的传送信息，就不可避免的引入了网络延时。现在的以太网的控制系统只考虑了网络的传输延时τ，但是对于网络的附加延时，国内外参考文献中并没有给出一个理论依据。从而，现有的工业以太网系统仍然存在一定不稳定性。 本文系统概述了以太网的发展历史和研究现状，从以太网的介质访问方式CSMA/CD入手，引出网络延时。由于节点的访问率是随机的，因此网络的延时也是随机的变量，把节点发送的信息看成是顾客，总线假设成服务台，这样就形成了一个排队系统，建立模型，利用排队论的理论来分析网络的传输延时，得出网络控制系统中由于网络环节之间的冲突而引发的发送延时、排队延时；进而得出影响信道吞吐量的主要因素。从而分析延时对系统性能的影响，推导出了一些对分析和设计网络控制系统有一定指导意义的计算公式，并进行了数据的仿真。在分析网络延时的基础上，首先把网络控制系统建模为一类具有不确定性的离散时延系统，利用Lyapunov稳定性理论，讨论了系统的稳定性，结合一个二次型性能指标，推导出了保性能控制器存在的充分必要条件，并通过示例利用矩阵不等式（LMI）给出了保性能控制器的控制参数和保性能值。最后举例说明该方法的可行性和有效性。