网络控制系统中网络丢包的仿真分析

张晓倩，宋晓茹，曹建建

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032；2.西安工业大学 工业中心，陕西 西安 710032）

网络控制系统中网络丢包的仿真分析

张晓倩1，宋晓茹1，曹建建2

（1.西安工业大学 电子信息工程学院，陕西 西安 710032；2.西安工业大学 工业中心，陕西 西安 710032）

针对网络控制系统中不可避免的丢包问题，利用TrueTime工具箱中的TrueTime Network模块模拟不同的丢包率，建立了具有数据包丢失的网络控制系统模型。仿真采用CAN总线的网络控制系统的模型，为了保证系统的稳定，丢包率可以达到18%。结果表明：采用CAN总线可提高网络控制系统承受的丢包率。

网络控制系统；TrueTime工具箱；丢包率；控制网络；稳定

网络控制系统（Networked Control System）将不同地理位置的传感器、控制器和执行器连接起来，通过网络实现对被控对象的控制，优势就是实现资源共享、远程监测和控制[1]。针对网络环境对控制系统带来的网络延时、数据包丢失、数据乱序等问题，Ish ii[2]研究了在网络带宽有限的情况下，对具有数据包丢失的网络控制系统作了相应分析。Wei Zhang等[3]详细讨论了在具有时延情况下网络控制系统的稳定性问题。邱占芝等[4]考虑了同时存在时延和数据包丢失的网络控制系统的稳定性问题。樊卫华[5]讨论了在没有干扰的情况下，具有数据包丢失的网络控制系统模型的建立。但并没有对具有不同的控制网络和不同的丢失率的网络控制系统进行分析。本文考虑了控制网络和数据包丢失，在具有一定干扰的情况下，仿真分析了在不同控制网络的情况下，网络控制系统能够承受的丢包率。

1 TrueTime仿真工具箱

TrueTime 2.0工具箱是Lund University的Anton Cervin，Dan Henriksson和Martin Ohlin推出的基于 Matlab/Simulink的联合仿真工具箱，该工具箱能够模拟网络控制系统中时延、控制网络、数据包传输速率、数据包丢失等对系统性能的影响，以及系统采用不同的调度方法和不同控制器进行模拟仿真，便于网络控制系统的理论研究[6]。

TrueTime 2.0[7]工具箱主要包括TrueTime Kernel、True-Time Network、TrueTime Wireless Nerwork、TrueTime Battery、TrueTime Send、TrueTime Receive、TrueTime UItrasound等 7个模块。本文利用网络模块（TrueTime Network）模拟数据包传输速率、数据包的大小和丢包率等网络参数，用于分析各类参数对网络控制系统的性能影响，具体的网络模块如图1所示。

TrueTime Network模块用于网络控制系统中各个节点之间的通信，也可用于仿真不同局域网中的数据包的传输过程。其中，Network type用于设置控制网络类型，Number of node用于设置模块的编号，Data rate用于设置数据包传输速率，Minimum frame size用于设置最短的帧长，Loss probability用于设置网络中数据包的丢失率，Initial seed用于设置开始取值位置。

TrueTime Send模 块 和 TrueTime Receive模 块 是TrueTime 2.0工具箱增加的两个模块，这两个模块都是只有一路的输入接口和输出接口，用于搭建单个输入接口和单个输出接口的独立节点。TrueTime Send模块和 TrueTime Receive模块可以与内核模块混合使用搭建出完整的网络控制系统的仿真模型，需要采用MATLAB或者C++编写程序；也可以不使用内核模块搭建完整的网络控制系统模块，不需要编写程序。

图1 TrueTime Network模块

2 数据包丢失

在网络控制系统中，分布在不同地理位置的传感器、执行器通过网络和控制器进行数据交换，在传输过程中，数据包丢失时常发生。第一：网络节点中的微处理器一旦出现故障，系统中的保护措施以最快速度使故障节点恢复正常，但是，发生故障的时刻造成正常通信的任务失败，最终使得数据包丢失；第二：通过网络进行数据包传输，必然会发生冲突。一旦发生冲突，即使网络通信协议具有重传机制，若数据包重传的时间超时，就放弃此次通信任务，造成数据包丢失；第三：网络控制系统中网络是数据传输的枢纽，在实际中传输数据的信道不可避免地受到外界环境的影响。外界环境的干扰造成信号的错位、丢失，使得数据到达目的产生失真，在检错技术的机制数下，失真的数据包都被丢弃。

在网络控制系统中，一方面，主动丢弃一些未到达目的节点的数据包，接着重新发送丢弃的数据包，从而保证了系统中信号的及时更新和传感器采样数据时的有效性，也提高了网络控制系统的性能，就采用主动丢弃数据包的策略；另一方面，网络控制系统中网络的通信协议和网络带宽的有限性都会造成数据包的被动丢失。不论网络控制系统中数据包丢失是主动的，或者被动的，总之，为了保证网络控制系统的正常运行，允许系统中有一定的数据包丢失，但是数据包的丢失率超过一定值时网络控制系统会变得不稳定，因此，数据包丢失是网络控制系统的分析和设计中不可忽略的因素[8]。

3 CAN总线

CAN总线协议是从最初为汽车工业开发的标准中发展而来的，CAN总线支持总线型的拓扑结构，双绞线、同轴电缆或光纤作为传输介质。CAN总线协议使用的是载波帧听多路存取/消息优先仲裁（CSMA/AMP）协议，该协议是面向消息的，且每个消息根据规定的优先级在网络中进行传输，这样就可以仲裁很多节点同时访问网络决定哪个节点获得网络的访问权。CAN总线协议采用多主竞争方式结构的特点是网络中每个节点可以不分主从在任意时间发送信息到其它的节点，也就是当网络空闲时，每个节点对网络都有访问权。若当多个节点同时向网络发送消息发生冲突，运用逐位仲裁原则，借助帧中开始部分的标识符，优先级高的节点可不受影响的继续发送信息，而优先级低的节点主动停止发送数据，直到网络空闲再传输。因此，不会出现节点冲突，避免了网络拥塞的发生。

CAN总线优点：传输信号采用短帧结构，受干扰概率低，若节点严重错误，具有自动关闭输出的功能，使其它节点不受影响，具有高可靠性。

4 网络控制系统的仿真

4.1 仿真模型

1）网络控制系统中传感器采用时钟驱动、控制器和执行器采用事件驱动。

2）数据传输产生的时延不考虑。

3）控制器参数设置为：K=1，TD=0.04。

4）采样周期设置为0.01 s。

5）考虑干扰：网络带宽占用率为10%，传输速率为80 kbit/s。

4.2 仿真结果分析

通信模式设为Ethernet，丢包率为10%，仿真结果如图3所示；通信模式不变，丢包率增大到18%，仿真结果如图4所示。

从图3和图4中可以看出，当网络控制系统中采用Ethernet，网络带宽占用率为10%时，随着丢包率的增大，输出曲线震荡剧烈，曲线呈发散状态，显然系统已经不稳定。这是因为丢失的数据包不能到达接收端，丢包率越大，占用的传输通道比例越大，产生的时延越长，导致系统不稳定。

设丢包率为18%不变，通信模式改变为：CAN，仿真结果如图5所示。

从图4和图5中可以看出，当网络控制系统中网络带宽占用率为10%，丢包率为18%，采用Ethernet的网络控制系统已经呈现失真的状态，系统是不稳定的；而采用CAN总线的网络控制系统输出曲线虽然震荡次数变多，但是最终能够收敛，从而保证了系统的稳定，这是因为CAN总线具有重负载下的可靠性。

图2 网络控制系统的仿真模型

图3 网络控制系统仿真结果

图4 网络控制系统仿真结果

图5 网络控制系统仿真结果

5 结论

本文先分析数据包丢失的原因、数据包的丢失率和网络控制系统的稳定性的关系，然后利用TrueTime工具箱建立网络控制系统模型仿真验证数据包丢失、控制网络对网络控制系统性能的影响，仿真结果表明控制网络采用CAN总线，提高了网络控制系统容忍的丢包率，因此设计网络控制系统同时考虑丢包率和控制网络能进一步提高网络控制系统的性能。

[1]吴迎年，张建华，侯国莲.网络控制系统研究综述[J].现代电力，2003，20（5）:74-81.

[2]ISH II H D.H∞ control with limited communication and message losses[J].Systems and Control Letters，2008，57（4）: 322-331.

[3]W Zhang，MS Branicky，SM Phillips.Stability of networked control systems[J].Control Systems IEEE，2001，21（1）:84-89.

[4]邱占芝，张庆灵，连志春，等.存在时延和数据包丢失情况下状态反馈网络控制系统的指数稳定性[J].信息与控制，2005，34（5）:567-575.

[5]樊卫华.网络控制系统的建模与控制[D].南京：南京理工大学，2004.

[6]刘喜梅，魏婉韵，于洁.基于TrueTime的网络控制系统实时仿真[J].微计算机信息，2007，34（3）：324-327.

[7]白涛，吴智铭，杨根科.网络化的控制系统[J].控制理论与应用，2004，21（4）:584-590.

[8]高谦.具有时延和丢包的网络控制系统的分析与控制[D].鲁东大学，2008.

Simulation analysis of network packet loss in networked control system

ZHANG Xiao-qian1，SONG Xiao-ru1，CAO Jian-jian2
（1.School of Electronic Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China；2.Industrial Center，Xi’an Technological University，Xi’an 710032，China）

In view of the inevitable packet loss in the networked control system，the networked control system model with data packet dropout is built by using the TrueTime Network module with simulation of different packet loss rate in TrueTime toolbox.In order to guarantee the stability of the system，packet loss rate can reach 18%when the simulation of network control system model using CAN bus.The conclusion is obtained that CAN bus can improve the packet loss rate of the networked control system.

networked control system；TrueTime toolbox；packet loss；control network；stability

TN914

A

1674－6236（2016）15-0099-03

2015-11-02 稿件编号：201511017

陕西省自然科学基础研究计划（2014JM2-6093）

张晓倩（1983—），女，陕西大荔人，硕士研究生，助教。研究方向：网络控制系统。