交换式工业以太网的优化研究

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1、Y1052880申请上海交通大学博士学位论文交换式工业以太网的优化研究系别：自麴焦丞专业：控剑堡途皇塑剑王翟学生：韭查蟹也j塑至2Co)导师：殛里壅麴攫上海交通大学2006年7月上海交通大学博士学位论文换式工业以太网的优化研究，对于降低控制系统成本，实施先进控制技术，提高我国的工业自动化水平都具有重要意义。无论共享式工业以太网还是交换式工业以太网，当用于网络化控制系统时，都会在闭环控制回路中引入随机的通信延迟。这些随机延迟的存在会降低控制系统的品质，甚至使控制系统变得不稳定。解决这一问题有两种途径：一是在设计控制算法时并不考虑数据的传输延迟，而是通过优化工

2、业以太网尽可能减小网络传输延迟。另一种途径是将网络传输延迟视为既定条件，通过设计合适的控制算法降低网络延迟对控制系统品质的不利影响。本论文针对前一种途径提出了交换式工业以太网的优化方案，包括在源节点和交换机中引入优先级调度和流控制，通过优化网络拓扑来减少数据的传输延迟等。针对后～种途径提出了改进的时戳预测控制算法，将传统的动态矩阵控制(DMC)算法和预测函数控制(PFCl算法在网络化控制系统中进行了推广。全文的主要研究内容包括以下几个方面：第一章为绪论，首先探讨了交换机的引入为以太网支持实时工业通信所提供的新特性，如微网段和全双工通信、基于IEEES02．

3、Ip的排队特性、虚拟局域网技术等。然后进一步总结了工业以太网应用于实时工业通信时仍需解决的关键技术，如针对工业数据的优先级服务、以太网组播解决方案和以太网智能仪表的开发等。本章也对交换式工业以太网和网络化控制系统的研究现状进行了概述。第二章对IEEES02．1p排队特性和工业以太网实时通信的结合进行了研究。首先分析了工业通信网络的数据传输特点，然后针对工业通信中不同数据的传输要求，通过在源节点和交换机的介质访问控制层中引入基于IEEES02．1p和最早截止期限优先的调度方法，来改善工业以太网对实时数据的传输能力。最后通过OPNETModeler搭建的网络仿

4、真平台验证了该调度方案的可行性。第三章研究了基于网络演算的交换式工业以太网传输延迟分析方法。网络演算是源于多媒体通信领域的一种网络特性分析工具，它通过计算数据流的到达曲线和服务曲线，很容易得到数据帧的最大网络延迟和最大数据积压。本章结合工业以太网的通信特点，在对其实施优先级调度和对非周期数据进行流控制的基础上，以网络演算为工具推导了交换机对实时工业数据的服务曲线。最后以一个采用树型拓扑的全交换式工业以太网模型为例，给出了计算实时数据最大网络传输延迟的方法。II摘要第四章和第五章分别以遗传算法和图划分理论为工具，对交换式工业以太网的网络拓扑优化进行了研究。首

5、先给出了交换式工业以太网拓扑优化的主要设计原则，然后将他们构建为一个多目标优化问题：交换式工业以太网的拓扑优化一方面要减少子网间的通信量，同时需要平衡各个子网的通信负荷和站点规模；此外，交换机物理条件的限制也为该优化问题设置了约束条件。在求解这～带约束条件的多目标优化问题时，第四章设计了遗传算法来寻找该网络拓扑优化问题的优质解。第五章采用图划分策略来求解同一优化问题，通过划分该优化问题的一个图表示来寻找理想的网络拓扑，仿真结果表明这两种方法得到的网络设计明显优于随机方法得到的网络设计。第六章研究了目前交换式以太网中比较常用的四种组播方案：VLAN，IGMP

6、窃听，CGMP，GMRP。工业控制网络中大量采用“生产者一消费者”的通信模式，这种通信模式使网络中存在着大量的组播数据。传统交换机对组播数据采用的广播式处理方式会大大降低交换式工业以太网的性能。本章通过对比分析现有四种二层组播方法的优缺点，指出了它们在工业以太网中各自的适用范围，为实际应用中选择和设计合适的组播方案提供了参考。第七章和第八章针对网络化控制系统提出了改进的时戳预测控制算法。其主要思想是在动态矩阵控制算法和预测函数控制算法中，引入时间戳来估计网络通信延迟的大小。在推导预测控制规律时，使用～个离散的延迟模型来预测对象的未来输出，然后借鉴传统预测控

7、制算法的基本策略，得到了适用于网络化控制系统的时戳动态矩阵控制算法和时戳预测函数控制算法。同时由TrueTime工具箱搭建了基于工业以太网的网络化控制系统仿真平台。把时戳预测控制算法和传统预测控制算法的性能进行了对比。第九章在总结全文的基础上，给出论文研究过程中得出的若干结论。同时也展望交换式工业以太网的发展方向，提出了一些需要进一步深入研究的问题。关键词：工业以太网；网络化控制系统；优先级调度：通信延迟；网络优化；预测控制111Abs仃actNowadays，EthemetisthemostwidelyusedLocalAreaNetwork(LAN)c

8、ommunicationtechnology．WitIlitsin