基于交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)工業(yè)通信相關(guān)理論與技術(shù)研究.pdf

1、交換技術(shù)的出現(xiàn)不僅提高了以太網(wǎng)的通信速率和帶寬，也為以太網(wǎng)支持工業(yè)通信提供了新的途徑。但是，將交換式以太網(wǎng)直接應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域還存在相當(dāng)多理論和實(shí)踐的問題。本文重點(diǎn)研究基于交換式以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)工業(yè)通信的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)，在深入分析面向工業(yè)通信的交換式以太網(wǎng)實(shí)時(shí)特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)交換式以太網(wǎng)構(gòu)建控制網(wǎng)絡(luò)所存在的諸多理論和技術(shù)問題，從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩方面提出解決方案。主要研究工作如下：
　　 （1）面向工業(yè)通信的交換式以太網(wǎng)實(shí)時(shí)特性分

2、析。時(shí)延是影響控制網(wǎng)絡(luò)性能最主要的一個(gè)因素。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)特性，基于統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)演算建立系統(tǒng)在不同調(diào)度策略下的時(shí)延模型。利用該模型計(jì)算控制網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)延分布和統(tǒng)計(jì)上界，并與確定性網(wǎng)絡(luò)演算得出的時(shí)延上確界進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)該上確界的悲觀程度。
　　 （2）基于交換式以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化（靜態(tài)解決方案）。通過分析影響控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性能的諸多因素及其內(nèi)在聯(lián)系，給出歸一化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)。將該問題轉(zhuǎn)

3、化為一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，充分考慮到控制網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)。提出改進(jìn)的擂臺(tái)賽算法用以構(gòu)造進(jìn)化群體的非支配集，并綜合運(yùn)用支配關(guān)系法和目標(biāo)函數(shù)組合求積法對(duì)個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)，以減小算法的開銷。實(shí)驗(yàn)研究表明最終解在流量本地化和均衡方面以及交換機(jī)物理端口使用率平衡方面，都較其他算法有著較大的改進(jìn)。此外，為實(shí)際控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與優(yōu)化問題提出一個(gè)新性能指標(biāo)的估算方法。
　　 （3）面向?qū)崟r(shí)工業(yè)通信的交換機(jī)設(shè)計(jì)（基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)解決方案）。針對(duì)基于虛擬輸出

4、排隊(duì)的輸入隊(duì)列交換機(jī)應(yīng)用于控制網(wǎng)絡(luò)所面臨的諸多困難，提出一種新的輸入隊(duì)列交換機(jī)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種基于記錄矩陣和需求矩陣的信元傳輸順序控制方案，解決了以往交換機(jī)中存在的信元行為及時(shí)延的不確定性問題。考慮控制網(wǎng)絡(luò)中的流量特征，還提出了兩級(jí)調(diào)度機(jī)制，鏈接調(diào)度提供了分級(jí)服務(wù)，交換調(diào)度實(shí)現(xiàn)了端口匹配。后者是一種分層的結(jié)構(gòu)性匹配調(diào)度算法，層數(shù)的設(shè)置提供了在調(diào)度率和復(fù)雜度之間折衷的手段。仿真實(shí)驗(yàn)證明，較現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)性調(diào)度算法，本算法具有更高

5、的調(diào)度率，同時(shí)所提出的交換機(jī)結(jié)構(gòu)及其調(diào)度策略為控制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信提供了確定性的實(shí)時(shí)保障。
　　 （4）分布式帶寬分配策略研究（基于端節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)解決方案）。交換式以太網(wǎng)應(yīng)用于控制領(lǐng)域所面臨的主要問題之一是如何以盡量小的代價(jià)來實(shí)現(xiàn)其支持典型的工業(yè)通信的目的。結(jié)合控制網(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)，提出了一套基于時(shí)隙的分布式帶寬分配策略。給出了節(jié)點(diǎn)通信任務(wù)和帶寬資源的模型、調(diào)度策略中信息傳輸?shù)目刂品椒ê驼{(diào)度算法。通過實(shí)驗(yàn)分析和比較，該策略在滿足了各通