應(yīng)用P2P技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)電機控制方法

王湛昱， 劉國平,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.Faculty of Advanced Technology,University of South Walse,Pontypridd CF37 1DL, U.K.)

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應(yīng)用P2P技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)電機控制方法

王湛昱1， 劉國平1,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.Faculty of Advanced Technology,University of South Walse,Pontypridd CF37 1DL, U.K.)

針對在internet場景下的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(networked control system, NCS)通常要面臨的兩個問題：第一是不同網(wǎng)域內(nèi)的控制節(jié)點無法直接通信；第二是internet環(huán)境下不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)鏈路質(zhì)量會導(dǎo)致控制系統(tǒng)性能的下降甚至引發(fā)系統(tǒng)故障，首先提出一種基于端對端(peer-to-peer, P2P)技術(shù)的NCS系統(tǒng)，解決了internet范圍上控制節(jié)點間的通信問題；然后設(shè)計了控制任務(wù)的共享功能：被控端節(jié)點可以向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布被控對象的控制算法文件，而系統(tǒng)內(nèi)的其他遠(yuǎn)程計算機都可以通過下載控制任務(wù)文件成為遠(yuǎn)程控制器。上述方法實現(xiàn)了internet環(huán)境下NCS系統(tǒng)的拓?fù)鋭討B(tài)性和數(shù)據(jù)鏈路的冗余性，從而增強了系統(tǒng)的容錯能力。最終通過實驗證明了P2P技術(shù)搭建的NCS系統(tǒng)在internet范圍上的拓?fù)鋭討B(tài)性，且驗證了冗余控制策略增強系統(tǒng)容錯能力的有效性。

互聯(lián)網(wǎng)控制；網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)；P2P；冗余控制

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(networked control systems，NCSs)是一種控制器與被控對象分離的控制系統(tǒng)，其分布式結(jié)構(gòu)使其在醫(yī)療、航天、救災(zāi)等領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢。目前典型的應(yīng)用有達(dá)芬奇遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)、嫦娥三號月面探測器及各類型搜救機器人。

對于NCS系統(tǒng)的研究主要集中在兩方面：一方面，如何克服數(shù)據(jù)傳輸過程中的延時、丟包和錯序問題，保證NCS系統(tǒng)的性能；另一方面，如何提高NCS系統(tǒng)的容錯能力，保證系統(tǒng)的健壯性。

在實際的工程實踐中往往采用專用網(wǎng)進(jìn)行搭建，部署成本較高。隨著近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，特別是運營商落實“提速降費”政策后，互聯(lián)網(wǎng)通信帶寬隨之提高，為我們利用互聯(lián)網(wǎng)在大范圍上搭建NCS系統(tǒng)提供了良好契機。

且經(jīng)過研究人員多年的努力，對于NCS系統(tǒng)的理論研究已經(jīng)取得了一定的成果，諸如傳統(tǒng)上通過設(shè)計預(yù)估器估計被控對象的狀態(tài)的方法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制[1-2]，文獻(xiàn)[3-7]提出魯棒控制來抵消網(wǎng)絡(luò)延時對控制系統(tǒng)的影響，以及H理論的引入[8]都在一定程度上推進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)理論的發(fā)展，而Guo-ping Liu等提出采用預(yù)測控制的方法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制在另一個方面克服了網(wǎng)絡(luò)的不確定性對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)造成的負(fù)面影響[9-11]。但大多數(shù)的研究僅僅局限于局域網(wǎng)或者是專用網(wǎng)的范圍內(nèi)，對于在internet范圍上設(shè)計、布署NCS系統(tǒng)的問題卻鮮有研究。阻礙NCS系統(tǒng)在范圍更廣的internet上實現(xiàn)的障礙主要在于以下兩方面：

第一，除專用工業(yè)網(wǎng)使用自有協(xié)議進(jìn)行通信以外，大多數(shù)基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議或UDP協(xié)議進(jìn)行節(jié)點間通信，在工程實現(xiàn)上也都是使用Socket套接字建立數(shù)據(jù)流實現(xiàn)控制系統(tǒng)的閉環(huán)拓?fù)?。這種方法通過配置對應(yīng)的IP和端口號使控制量和反饋數(shù)據(jù)在7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層(第3層)上進(jìn)行傳輸，在局域網(wǎng)中可以獲得較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)連接。但是在internet環(huán)境下，由于控制器和執(zhí)行器處在不同的網(wǎng)域內(nèi)，接收端的網(wǎng)關(guān)設(shè)備出于網(wǎng)絡(luò)安全的考慮拒絕外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點直接向內(nèi)網(wǎng)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，這使得控制器端數(shù)據(jù)無法到達(dá)被控端設(shè)備[12]，這就造成了處在不同網(wǎng)域內(nèi)的被控對象和遠(yuǎn)程控制器之間無法直接進(jìn)行通信。

第二，為了解決第一個問題，NCS的設(shè)計者通常采用將被控對象直接部署在公網(wǎng)IP上的方法或是在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上采用端口映射的方法使控制信號能夠到達(dá)被控對象[12,14-18]。采用這種方法需要配置固定IP和端口號，也就是需要NCS有固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種固定拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的容錯能力相對較弱，一旦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任何節(jié)點或者數(shù)據(jù)通訊出現(xiàn)故障便會引發(fā)NCS系統(tǒng)的故障。

針對以上兩個問題，本文提出了一種基于端對端(peer-to-peer，P2P)技術(shù)的實現(xiàn)在internet范圍上的網(wǎng)絡(luò)化控制方法。該方法首先利用P2P技術(shù)能夠穿越互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的特點，構(gòu)建覆蓋式通信網(wǎng)絡(luò)[13]，解決了不同網(wǎng)域內(nèi)的各節(jié)點間不能相互通信的問題，實現(xiàn)了internet場景內(nèi)的控制器和被控對象的數(shù)據(jù)連接，使網(wǎng)絡(luò)上各節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用層上彼此相鄰。然后通過設(shè)計、實現(xiàn)控制任務(wù)的共享功能，使網(wǎng)絡(luò)中其他的遠(yuǎn)程節(jié)點通過下載該控制任務(wù)也具備對此被控對象進(jìn)行控制的功能，由此實現(xiàn)了NCSs的動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。若當(dāng)前控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制器端或數(shù)據(jù)鏈路出現(xiàn)故障，其他遠(yuǎn)程控制器可以接管該控制任務(wù)對被控對象實施控制。

本文的結(jié)構(gòu)安排如下：第一節(jié)為引言，第二節(jié)為基于P2P技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計，第三節(jié)為控制任務(wù)的轉(zhuǎn)移，第四節(jié)為實驗與仿真，第五節(jié)為結(jié)論。

1 基于P2P技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 基于P2P技術(shù)的NCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計

P2P技術(shù)是建立在7層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議最頂層——應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，廣泛的應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)視頻直播、IP電話和即時通訊方面，目前相對成熟的產(chǎn)品有PPTV、Skype、QQ、Wechat等軟件[19]。相對于傳統(tǒng)的C/S模式，P2P技術(shù)有著如下優(yōu)勢：1)非中心化：節(jié)點既可發(fā)布數(shù)據(jù)也可接收數(shù)據(jù)；2)高可擴展性：加入P2P網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點可以實時加入和退出，無需進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置即可發(fā)揮功能；3)動態(tài)拓?fù)湫裕河汕皟蓚€特點決定了P2P，基于P2P網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不依賴固定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，故可獲得更強的系統(tǒng)健壯性。

在基于P2P技術(shù)的NCS設(shè)計中，我們采用pc機作為被控對象與遠(yuǎn)程控制器之間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的中間節(jié)點，即P2P網(wǎng)絡(luò)中的peer，其拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

圖1 JXTA節(jié)點的組織結(jié)構(gòu)Fig.1 Organization of JXTA nodes

在P2P系統(tǒng)中，節(jié)點通常有Edge、Relay和RDV(Rendezvous)3種類型。Edge是最普通的節(jié)點類型，可以與所在對等組(peer group)的RDV節(jié)點(匯聚節(jié)點)進(jìn)行關(guān)于系統(tǒng)信息的交互，如當(dāng)前活躍節(jié)點信息等。RDV節(jié)點作為所在對等組的組織者，負(fù)責(zé)與其他對等組的RDV節(jié)點進(jìn)行信息交互以獲取全局的信息。一個對等組至少要有一個節(jié)點設(shè)置為RDV類型。Relay節(jié)點是中繼節(jié)點，兩個無法直接通信的節(jié)點要通過Relay節(jié)點進(jìn)行中繼才能通信。被控對象的上位機和遠(yuǎn)程控制器的上位機可以設(shè)置為任意的節(jié)點類型。圖1中的Seed節(jié)點為一個RDV類型節(jié)點，它作為該P2P系統(tǒng)的全局注冊服務(wù)器需要假設(shè)在公網(wǎng)IP上，并最先開始運行。任何一個加入到此P2P系統(tǒng)中的節(jié)點都要將該節(jié)點的IP地址和端口號設(shè)置在本地相應(yīng)的配置環(huán)境中。

1.2 基于JXTA協(xié)議的通信模塊設(shè)計

P2P網(wǎng)絡(luò)是對上述的關(guān)系上彼此對等、應(yīng)用層彼此相鄰的網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱，在具體的實現(xiàn)上要通過具體的協(xié)議進(jìn)行設(shè)計和開發(fā)，比如Pastry、Chord、Bit Torrent等協(xié)議。本文通過JXTA[20]協(xié)議來設(shè)計和實現(xiàn)P2P網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的通信模塊。

通信模塊分為發(fā)送端部分和接收端部分，采用JXTA管道方式進(jìn)行通信，建立管道通信的流程如圖2所示：

首先，接收端節(jié)點啟動后向?qū)Φ冉M內(nèi)廣播自己的通告(Advertisement)；然后，發(fā)送端在接收到這個通告后提取出接收端節(jié)點的節(jié)點名，使用接收端節(jié)點的節(jié)點名來生成這個管道的唯一ID；最后，將此ID封裝在管道通告(Pipe Advertisement)中廣播到對等組內(nèi)。對等組內(nèi)的節(jié)點收到這個通告后，根據(jù)管道的ID可以判定自己是否為接收端節(jié)點。節(jié)點一旦確定自己為接收端節(jié)點，便啟動Multicast Listener實例偵聽對應(yīng)的端口等待接收數(shù)據(jù)。

圖2 JXTA協(xié)議的管道通信Fig.2 Pipe communication of JXTA protocol

具體實現(xiàn)的UML靜態(tài)對象圖如圖3所示。其中Query和Response是JXTA協(xié)議中的消息類型，采用XML格式對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行封裝。

圖3 JXTA管道的UML圖Fig.3 UML diagram of JXTA pipe communication

我們將節(jié)點的ID和當(dāng)前系統(tǒng)的時間戳通過Query消息廣播到網(wǎng)絡(luò)中，收到此Query的節(jié)點也將自己的ID和 時間戳封裝在Response消息中發(fā)回給發(fā)送Query的節(jié)點。發(fā)送Query的節(jié)點可以通過周期性的發(fā)送Query消息來感知遠(yuǎn)程節(jié)點的存在，并用時間戳判斷節(jié)點間網(wǎng)絡(luò)的延時情況。Receiver類實現(xiàn)了通信模塊的接收功能，它將收到的控制信號交付給Data Manager，由Data Manager判斷數(shù)據(jù)的有效性并最終發(fā)送到執(zhí)行器。Communication Module 類是通信模塊的主類，它實現(xiàn)了MessageListenner接口來偵聽從網(wǎng)絡(luò)中發(fā)來的Query和Response消息，并創(chuàng)建其他類的實例。

2 控制任務(wù)的轉(zhuǎn)移

在internet環(huán)境下建立NCS系統(tǒng)最直接的困難就是數(shù)據(jù)鏈路產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)延時和丟包對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。對于這類問題很多研究給出了解決方案。但是在極端情況下會由于數(shù)據(jù)鏈路嚴(yán)重?fù)砣麑?dǎo)致系統(tǒng)的故障，此時就需要通過其他的遠(yuǎn)程控制器及相應(yīng)的數(shù)據(jù)鏈路來接管對被控對象的控制。本節(jié)基于P2P文件共享技術(shù)提出了控制任務(wù)的轉(zhuǎn)移方法，實現(xiàn)了NCS系統(tǒng)拓?fù)涞膭討B(tài)性，通過遠(yuǎn)程控制器和數(shù)據(jù)鏈路的冗余增強了系統(tǒng)的容錯能力。

2.1 控制任務(wù)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

控制任務(wù)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)依照功能分為被控對象端模塊和遠(yuǎn)程控制器端模塊。如圖4所示，被控對象端負(fù)責(zé)發(fā)布控制任務(wù)；遠(yuǎn)程控制器端負(fù)責(zé)獲取控制任務(wù)并對被控對象進(jìn)行控制。控制任務(wù)以文件的形式由被控對象端的JXTA發(fā)布模塊發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，再由遠(yuǎn)程控制其端的JXTA下載模塊下載到本地。

圖4 控制任務(wù)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of control task transfer system

系統(tǒng)的實現(xiàn)采用了文獻(xiàn)[21]所提出的方法，使用兩臺pc/104分別作為遠(yuǎn)程控制器和被控對象的執(zhí)行器。在被控對象端，系統(tǒng)啟動后JXTA發(fā)布模塊便將算法文件的信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中。遠(yuǎn)程控制其端一旦收到該消息便可以啟動JXTA下載模塊從被控對象端下載算法文件。下載完成后，編譯器將算法文件編譯為執(zhí)行文件并交付給遠(yuǎn)程控制器。遠(yuǎn)程控制器按照第2節(jié)中的方法，與其上位機配合，使用JXTA管道對被控對象發(fā)起控制。JXTA發(fā)布模塊和JXTA下載模塊的實現(xiàn)使用了JXTA CMS(content management service)服務(wù)，實現(xiàn)時的用例圖如圖5所示。

圖5 控制任務(wù)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的用例圖Fig.5 Use case diagram of control task transfer system

JXTA發(fā)布模塊中Content Service服務(wù)負(fù)責(zé)將需要發(fā)布的控制文件轉(zhuǎn)換為Content類型，并依照UUID規(guī)則生成該資源的ID信息，Discovery Service服務(wù)負(fù)責(zé)將Content實例相關(guān)的信息發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)中，供其他節(jié)點進(jìn)行解析并進(jìn)行下載對應(yīng)的控制文件； JXTA下載模塊中aggListenner負(fù)責(zé)偵聽網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布的控制文件的信息，xferListenner負(fù)責(zé)處理傳送文件的一些操作，transfer實例負(fù)責(zé)下載控制算法文件。這樣，我們便在internet環(huán)境下實現(xiàn)了NCS系統(tǒng)的動態(tài)拓?fù)?，所有下載了控制文件的節(jié)點都可以與被控對象組成閉環(huán)控制回路，如圖6所示。當(dāng)當(dāng)前正在實施控制的當(dāng)前閉環(huán)控制回路出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡(luò)中其他冗余的控制回路便接管這個控制任務(wù)，對被控對象實施控制。

圖6 基于JXTA協(xié)議的控制回路Fig.6 Control loop based on JXTA protocol

2.2 控制任務(wù)的切換

考慮如下線性定常離散控制系統(tǒng)，采樣周期為h，h∈R+，有：

(1)

定義1：?l,m，l∈N+，m∈N，l滿足l=min{m|m×h>supD}，稱l為延時步長。

(2)

圖7 數(shù)據(jù)緩沖Fig.7 Data buffer

定義增廣狀態(tài)向量z(kh)為

(3)

得到增廣系統(tǒng)

(4)

其中

(5)

顯然，則只要存在K∈R1×l使增廣系統(tǒng)(4)穩(wěn)定，則其子系統(tǒng)(1)也是穩(wěn)定的。

按照2.2節(jié)的設(shè)計，一段時間內(nèi)只允許一個遠(yuǎn)程控制器對被控對象進(jìn)行控制，即當(dāng)當(dāng)前控制回路出現(xiàn)故障時，僅由一條冗余控制回路接管控制，如圖6所示。

假設(shè)當(dāng)前控制回路的延時步長為lc，將接管控制的冗余控制回路的延時步長為lr， 分別建立對應(yīng)的增廣系統(tǒng)：

(6)

并由式(1)、式(3)和式(4)分別求得對應(yīng)的狀態(tài)反饋增益Kc和Kr使各自的增廣系統(tǒng)穩(wěn)定，則切換發(fā)生后的系統(tǒng)依然是穩(wěn)定的。

3 實驗與仿真

為了驗證所提出方法的有效性，基于NCSLab[15-17]所做的前期工作，分別設(shè)計了兩個internet場景下的實驗：第一個實驗將控制任務(wù)由局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化控制器切換到internet上的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化控制器；第二個實驗則是由延時步長為lc=1的internet上的遠(yuǎn)程控制器與延時步長為lr=3的internet上的遠(yuǎn)程控制器相互切換。兩個實驗中采樣周期均取值h=100 ms，并設(shè)yr(t)為參考輸入，y(t)為系統(tǒng)實際輸出，e(t)為跟蹤誤差，ts為調(diào)節(jié)時間。要求系統(tǒng)滿足如下性能：

e(t)=|yr(t)-y(t)|0.1yr(t)，

(7)

ts<10s。

(8)

當(dāng)不滿足式(7)時，判定當(dāng)前控制系統(tǒng)故障，由冗余系統(tǒng)接管控制任務(wù)。

3.1 由局域網(wǎng)到internet的控制任務(wù)的切換

如圖8所示，本實驗被控對象為直流電機，控制器1與被控直流電機、執(zhí)行器部署在NCSLab實驗室的局域網(wǎng)內(nèi)，形成局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化控制閉環(huán)，記作控制路徑1；控制器2部署在internet遠(yuǎn)端的局域網(wǎng)2內(nèi)，控制信號與反饋信號通過上位機2中的JXTA通信應(yīng)用程序與NCSLab內(nèi)的上位機1中的JXTA通信應(yīng)用程序的雙向通信進(jìn)行傳輸，與被控直流電機形成基于internet的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化控制閉環(huán)，記作控制路徑2。

圖8 實驗1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.8 Topology of experiment 1

直流電機的采樣周期為h=100 ms，輸入電壓U(s)與輸出轉(zhuǎn)速Y(s)的傳遞函數(shù)為

圖9 直流電機的相應(yīng)曲線Fig.9 Response of DC motor

3.2 internet遠(yuǎn)程控制器間的控制任務(wù)切換

相對于局域網(wǎng)范圍內(nèi)的NCS系統(tǒng)而言，internet環(huán)境上的遠(yuǎn)程控制要面臨更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，往往延時的變化比較大，通過不同路徑傳輸?shù)目刂菩盘栆部赡軒в胁煌瑫r長的延時。本實驗選擇兩臺遠(yuǎn)程控制器對被控對象進(jìn)行控制，延時為時變量，分別為τ1(t)和τ2(t)，系統(tǒng)采樣周期為h=100 ms，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。

選取力矩電機作為被控對象，與執(zhí)行器、上位機1部署在NCSLab實驗室局域網(wǎng)內(nèi)?？刂破?直接被賦予公網(wǎng)ip，并通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送控制信號和接收反饋信號，與被控端構(gòu)成控制閉環(huán)回路1；控制器2部署在局域網(wǎng)2中，通過上位機2的JXTA通信應(yīng)用程序與NCSLab實驗室中的上位機1進(jìn)行通信，發(fā)送控制信號并接收反饋信號，與被控端構(gòu)成控制閉環(huán)回路2。

圖10 實驗2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.10 Topology of experiment 2

被控對象系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

(7)

圖11 帶有3步延時的模型的響應(yīng)曲線Fig.11 Response of 3-step-delay model

圖12 前向通道帶有200 ms延時的在線實驗的輸出Fig.12 Response of on-line experiment with 200 ms-delay in forwad channel

實驗結(jié)果如圖13所示，其中圖13(a)為力矩電機的輸出曲線，圖13(b)為路徑1和路徑2的延時曲線。在圖13(b)中，第2 s時將路徑1的延時增加350 ms。在第2 s至第3 s期間，執(zhí)行器由于沒有收到控制信號，輸入u(t)置為0，故系統(tǒng)輸出從700左右下降到500左右，出現(xiàn)圖13(a)中的第一個波谷。此時由于不滿足條件(7)，于是判定當(dāng)前系統(tǒng)(系統(tǒng)1)故障，由系統(tǒng)2介入對被控對象進(jìn)行控制。隨后被控對象輸出開始上升接近參考輸入，并經(jīng)過第二個波谷后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。第二個波谷是由于系統(tǒng)2采用了帶有3步延時的模型，系統(tǒng)輸出抖動造成的，如圖12所示。

在圖13(b)中，第19 s時將路徑2的延時增加300 ms，隨即出現(xiàn)第3個波谷。由于此時不滿足條件(7)，故由控制器1接管對被控對象的控制。在23 s時，將路徑1的延時增加350 ms，再次不滿足條件(7)，控制器2開始實施控制，被控對象輸出出現(xiàn)第4個波谷后進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

圖13 實驗2的響應(yīng)曲線Fig.13 Response carve of experiment 2

本實驗通過調(diào)整控制回路1和控制回路2的前向通道延時驗證了本文所提出的方法可以在本地沒有控制器的情況下，將控制任務(wù)發(fā)布到internet上，由internet場景下的遠(yuǎn)程控制器對被控對象實施控制。而且由于采用了硬件冗余、通信鏈路冗余及使用多步延時模型的方法，在當(dāng)前控制回路故障時啟用冗余控制回路進(jìn)行控制，避免了由于網(wǎng)絡(luò)故障觸發(fā)系統(tǒng)故障的情況的發(fā)生，增強了internet環(huán)境下NCS系統(tǒng)的容錯能力。

4 結(jié) 論

本文研究了在internet環(huán)境下部署NCS系統(tǒng)時面臨的兩個問題：1)Internet遠(yuǎn)程控制節(jié)點與被控對象的通信只能依靠固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膯栴}；2)Internet環(huán)境下NCS系統(tǒng)的容錯能力問題。針對問題1)，本文通過設(shè)計、實現(xiàn)基于P2P技術(shù)的數(shù)據(jù)通信管道，建立了動態(tài)拓?fù)涞腘CS系統(tǒng)，彌補了以往工程中只能依靠固定拓?fù)鋪韺崿F(xiàn)系統(tǒng)而帶來的諸如實現(xiàn)困難、容錯能力差等不足。針對問題2)，本文通過設(shè)計、實現(xiàn)控制任務(wù)的發(fā)布、下載功能使加入到對等組中的遠(yuǎn)程節(jié)點都可以成為遠(yuǎn)程控制器，從而建立冗余的控制閉環(huán)，進(jìn)而增強了internet環(huán)境下NCS系統(tǒng)的健壯性。在實驗環(huán)節(jié)，分別驗證了在當(dāng)前控制閉環(huán)的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時控制任務(wù)由本地轉(zhuǎn)移到internet上的遠(yuǎn)程控制器和控制任務(wù)在internet上的遠(yuǎn)程控制器之間的轉(zhuǎn)移。

本文的工作為在internet環(huán)境下部署具有動態(tài)拓?fù)涞腘CS系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)。NCS系統(tǒng)拓?fù)涞膭討B(tài)性一方面可以為數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓛?yōu)化提供更大的空間，降低數(shù)據(jù)傳輸延時，提高系統(tǒng)的性能，另一方面為控制環(huán)節(jié)提供更多的控制器冗余和數(shù)據(jù)鏈路冗余增強系統(tǒng)的容錯能力。在未來的研究中，如何具體地針對不同的鏈路質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化和如何選擇冗余的遠(yuǎn)程控制器及冗余數(shù)據(jù)鏈路將成為主要的目標(biāo)。

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(編輯：劉琳琳)

Internet-based control for motor system using P2P technology

WANG Zhan-yu1, LIU Guo-ping1,2

(1.School of Astronautics, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, China; 2.Faculty of Advanced Technology, University of South Walse, Pontypridd CF37 1DL, U.K.)

Aiming at two problems:one is devices of networked control systems(NCSs)located in different network domains can’t communicate with each other directly; the other is that unstable data links on internet would reduce the performance of NCSs, even lead to the failure, which always present in internet-based NCSs.Firstly a NCS structure was proposed using peer-to-peer (P2P) technology, so that the networked control units can obtain direct connections through internet, then the control task sharing function was designed—control side publishes its control algorithm file, and other remote computers act as remote controller by downloading the file.Benefiting from the dynamic topology and the relevant redundancy of data links, the proposed method enhances the fault tolerant ability of internet-based NCSs.The experiment and simulation demonstrate the P2P technology implements dynamic topology of internet-based NCSs, and prove the effectiveness that redundancy control strategy enhances the fault tolerant ability of NCSs.

internet-based control; networked control system; P2P; redundancy control

2016-04-07

國家自然科學(xué)基金(61273104，61333003，61321062)

王湛昱(1982—)，男，博士研究生，工程師，研究方向為網(wǎng)絡(luò)化控制、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；

劉國平(1962—)，男，博士，教授，研究方向為網(wǎng)絡(luò)化控制、多智能體控制系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)辨識與控制、多目標(biāo)最優(yōu)控制與決策。

劉國平

10.15938/j.emc.2016.11.013

TP 273.5

A

1007-449X(2016)11-0092-09