應用P2P技術的互聯網電機控制方法

王湛昱， 劉國平,2

(1.哈爾濱工業大學 航天學院，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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應用P2P技術的互聯網電機控制方法

王湛昱1， 劉國平1,2

(1.哈爾濱工業大學 航天學院，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場景下的網絡化控制系統(networked control system, NCS)通常要面臨的兩個問題：第一是不同網域內的控制節點無法直接通信；第二是internet環境下不穩定的網絡鏈路質量會導致控制系統性能的下降甚至引發系統故障，首先提出一種基于端對端(peer-to-peer, P2P)技術的NCS系統，解決了internet范圍上控制節點間的通信問題；然后設計了控制任務的共享功能：被控端節點可以向網絡中發布被控對象的控制算法文件，而系統內的其他遠程計算機都可以通過下載控制任務文件成為遠程控制器。上述方法實現了internet環境下NCS系統的拓撲動態性和數據鏈路的冗余性，從而增強了系統的容錯能力。最終通過實驗證明了P2P技術搭建的NCS系統在internet范圍上的拓撲動態性，且驗證了冗余控制策略增強系統容錯能力的有效性。

互聯網控制；網絡化控制系統；P2P；冗余控制

0 引 言

網絡化控制系統(networked control systems，NCSs)是一種控制器與被控對象分離的控制系統，其分布式結構使其在醫療、航天、救災等領域有著獨特的優勢。目前典型的應用有達芬奇遠程手術系統、嫦娥三號月面探測器及各類型搜救機器人。

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

在實際的工程實踐中往往采用專用網進行搭建，部署成本較高。隨著近年來互聯網技術的蓬勃發展，特別是運營商落實“提速降費”政策后，互聯網通信帶寬隨之提高，為我們利用互聯網在大范圍上搭建NCS系統提供了良好契機。

且經過研究人員多年的努力，對于NCS系統的理論研究已經取得了一定的成果，諸如傳統上通過設計預估器估計被控對象的狀態的方法實現網絡化控制[1-2]，文獻[3-7]提出魯棒控制來抵消網絡延時對控制系統的影響，以及H理論的引入[8]都在一定程度上推進了網絡化控制系統理論的發展，而Guo-ping Liu等提出采用預測控制的方法進行網絡化控制在另一個方面克服了網絡的不確定性對網絡化控制系統造成的負面影響[9-11]。但大多數的研究僅僅局限于局域網或者是專用網的范圍內，對于在internet范圍上設計、布署NCS系統的問題卻鮮有研究。阻礙NCS系統在范圍更廣的internet上實現的障礙主要在于以下兩方面：

第一，除專用工業網使用自有協議進行通信以外，大多數基于以太網的網絡化控制系統使用TCP/IP協議或UDP協議進行節點間通信，在工程實現上也都是使用Socket套接字建立數據流實現控制系統的閉環拓撲。這種方法通過配置對應的IP和端口號使控制量和反饋數據在7層網絡協議中的網絡層(第3層)上進行傳輸，在局域網中可以獲得較穩定的數據連接。但是在internet環境下，由于控制器和執行器處在不同的網域內，接收端的網關設備出于網絡安全的考慮拒絕外網的網絡節點直接向內網節點發送數據，這使得控制器端數據無法到達被控端設備[12]，這就造成了處在不同網域內的被控對象和遠程控制器之間無法直接進行通信。

第二，為了解決第一個問題，NCS的設計者通常采用將被控對象直接部署在公網IP上的方法或是在網關設備上采用端口映射的方法使控制信號能夠到達被控對象[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有固定的拓撲結構。這種固定拓撲的網絡結構的容錯能力相對較弱，一旦拓撲結構中任何節點或者數據通訊出現故障便會引發NCS系統的故障。

針對以上兩個問題，本文提出了一種基于端對端(peer-to-peer，P2P)技術的實現在internet范圍上的網絡化控制方法。該方法首先利用P2P技術能夠穿越互聯網網關設備的特點，構建覆蓋式通信網絡[13]，解決了不同網域內的各節點間不能相互通信的問題，實現了internet場景內的控制器和被控對象的數據連接，使網絡上各節點在網絡通信的應用層上彼此相鄰。然后通過設計、實現控制任務的共享功能，使網絡中其他的遠程節點通過下載該控制任務也具備對此被控對象進行控制的功能，由此實現了NCSs的動態拓撲結構。若當前控制系統的遠程控制器端或數據鏈路出現故障，其他遠程控制器可以接管該控制任務對被控對象實施控制。

本文的結構安排如下：第一節為引言，第二節為基于P2P技術的網絡化控制系統的設計，第三節為控制任務的轉移，第四節為實驗與仿真，第五節為結論。

1 基于P2P技術的網絡化控制系統的設計

1.1 基于P2P技術的NCS的拓撲結構的設計

P2P技術是建立在7層網絡協議最頂層——應用層的網絡通信技術，廣泛的應用于互聯網視頻直播、IP電話和即時通訊方面，目前相對成熟的產品有PPTV、Skype、QQ、Wechat等軟件[19]。相對于傳統的C/S模式，P2P技術有著如下優勢：1)非中心化：節點既可發布數據也可接收數據；2)高可擴展性：加入P2P網絡的節點可以實時加入和退出，無需進行網絡參數配置即可發揮功能；3)動態拓撲性：由前兩個特點決定了P2P，基于P2P網絡的系統結構并不依賴固定的網絡拓撲，故可獲得更強的系統健壯性。

在基于P2P技術的NCS設計中，我們采用pc機作為被控對象與遠程控制器之間進行網絡通信的中間節點，即P2P網絡中的peer，其拓撲示意圖如圖1所示。

圖1 JXTA節點的組織結構Fig.1 Organization of JXTA nodes

在P2P系統中，節點通常有Edge、Relay和RDV(Rendezvous)3種類型。Edge是最普通的節點類型，可以與所在對等組(peer group)的RDV節點(匯聚節點)進行關于系統信息的交互，如當前活躍節點信息等。RDV節點作為所在對等組的組織者，負責與其他對等組的RDV節點進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點設置為RDV類型。Relay節點是中繼節點，兩個無法直接通信的節點要通過Relay節點進行中繼才能通信。被控對象的上位機和遠程控制器的上位機可以設置為任意的節點類型。圖1中的Seed節點為一個RDV類型節點，它作為該P2P系統的全局注冊服務器需要假設在公網IP上，并最先開始運行。任何一個加入到此P2P系統中的節點都要將該節點的IP地址和端口號設置在本地相應的配置環境中。

1.2 基于JXTA協議的通信模塊設計

P2P網絡是對上述的關系上彼此對等、應用層彼此相鄰的網絡的統稱，在具體的實現上要通過具體的協議進行設計和開發，比如Pastry、Chord、Bit Torrent等協議。本文通過JXTA[20]協議來設計和實現P2P網絡節點間的通信模塊。

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

首先，接收端節點啟動后向對等組內廣播自己的通告(Advertisement)；然后，發送端在接收到這個通告后提取出接收端節點的節點名，使用接收端節點的節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。對等組內的節點收到這個通告后，根據管道的ID可以判定自己是否為接收端節點。節點一旦確定自己為接收端節點，便啟動Multicast Listener實例偵聽對應的端口等待接收數據。

圖2 JXTA協議的管道通信Fig.2 Pipe communication of JXTA protocol

具體實現的UML靜態對象圖如圖3所示。其中Query和Response是JXTA協議中的消息類型，采用XML格式對數據信息進行封裝。

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

我們將節點的ID和當前系統的時間戳通過Query消息廣播到網絡中，收到此Query的節點也將自己的ID和 時間戳封裝在Response消息中發回給發送Query的節點。發送Query的節點可以通過周期性的發送Query消息來感知遠程節點的存在，并用時間戳判斷節點間網絡的延時情況。Receiver類實現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判斷數據的有效性并最終發送到執行器。Communication Module 類是通信模塊的主類，它實現了MessageListenner接口來偵聽從網絡中發來的Query和Response消息，并創建其他類的實例。

2 控制任務的轉移

在internet環境下建立NCS系統最直接的困難就是數據鏈路產生的網絡延時和丟包對系統產生的影響。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據鏈路嚴重擁塞導致系統的故障，此時就需要通過其他的遠程控制器及相應的數據鏈路來接管對被控對象的控制。本節基于P2P文件共享技術提出了控制任務的轉移方法，實現了NCS系統拓撲的動態性，通過遠程控制器和數據鏈路的冗余增強了系統的容錯能力。

2.1 控制任務轉移系統的結構

控制任務轉移系統依照功能分為被控對象端模塊和遠程控制器端模塊。如圖4所示，被控對象端負責發布控制任務；遠程控制器端負責獲取控制任務并對被控對象進行控制?？刂迫蝿找晕募男问接杀豢貙ο蠖说腏XTA發布模塊發布到網絡中，再由遠程控制其端的JXTA下載模塊下載到本地。

圖4 控制任務轉移系統的結構Fig.4 Structure of control task transfer system

系統的實現采用了文獻[21]所提出的方法，使用兩臺pc/104分別作為遠程控制器和被控對象的執行器。在被控對象端，系統啟動后JXTA發布模塊便將算法文件的信息發布到網絡中。遠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行文件并交付給遠程控制器。遠程控制器按照第2節中的方法，與其上位機配合，使用JXTA管道對被控對象發起控制。JXTA發布模塊和JXTA下載模塊的實現使用了JXTA CMS(content management service)服務，實現時的用例圖如圖5所示。

圖5 控制任務轉移系統的用例圖Fig.5 Use case diagram of control task transfer system

JXTA發布模塊中Content Service服務負責將需要發布的控制文件轉換為Content類型，并依照UUID規則生成該資源的ID信息，Discovery Service服務負責將Content實例相關的信息發布到網絡中，供其他節點進行解析并進行下載對應的控制文件； JXTA下載模塊中aggListenner負責偵聽網絡中發布的控制文件的信息，xferListenner負責處理傳送文件的一些操作，transfer實例負責下載控制算法文件。這樣，我們便在internet環境下實現了NCS系統的動態拓撲，所有下載了控制文件的節點都可以與被控對象組成閉環控制回路，如圖6所示。當當前正在實施控制的當前閉環控制回路出現故障時，網絡中其他冗余的控制回路便接管這個控制任務，對被控對象實施控制。

圖6 基于JXTA協議的控制回路Fig.6 Control loop based on JXTA protocol

2.2 控制任務的切換

考慮如下線性定常離散控制系統，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 數據緩沖Fig.7 Data buffer

定義增廣狀態向量z(kh)為

(3)

得到增廣系統

(4)

其中

(5)

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

按照2.2節的設計，一段時間內只允許一個遠程控制器對被控對象進行控制，即當當前控制回路出現故障時，僅由一條冗余控制回路接管控制，如圖6所示。

假設當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， 分別建立對應的增廣系統：

(6)

并由式(1)、式(3)和式(4)分別求得對應的狀態反饋增益Kc和Kr使各自的增廣系統穩定，則切換發生后的系統依然是穩定的。

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，分別設計了兩個internet場景下的實驗：第一個實驗將控制任務由局域網內的網絡化控制器切換到internet上的遠程網絡化控制器；第二個實驗則是由延時步長為lc=1的internet上的遠程控制器與延時步長為lr=3的internet上的遠程控制器相互切換。兩個實驗中采樣周期均取值h=100 ms，并設yr(t)為參考輸入，y(t)為系統實際輸出，e(t)為跟蹤誤差，ts為調節時間。要求系統滿足如下性能：

e(t)=|yr(t)-y(t)|0.1yr(t)，

(7)

ts<10s。

(8)

當不滿足式(7)時，判定當前控制系統故障，由冗余系統接管控制任務。

3.1 由局域網到internet的控制任務的切換

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、執行器部署在NCSLab實驗室的局域網內，形成局域網內的網絡化控制閉環，記作控制路徑1；控制器2部署在internet遠端的局域網2內，控制信號與反饋信號通過上位機2中的JXTA通信應用程序與NCSLab內的上位機1中的JXTA通信應用程序的雙向通信進行傳輸，與被控直流電機形成基于internet的遠程網絡化控制閉環，記作控制路徑2。

圖8 實驗1的拓撲結構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)與輸出轉速Y(s)的傳遞函數為

圖9 直流電機的相應曲線Fig.9 Response of DC motor

3.2 internet遠程控制器間的控制任務切換

相對于局域網范圍內的NCS系統而言，internet環境上的遠程控制要面臨更復雜的網絡環境，往往延時的變化比較大，通過不同路徑傳輸的控制信號也可能帶有不同時長的延時。本實驗選擇兩臺遠程控制器對被控對象進行控制，延時為時變量，分別為τ1(t)和τ2(t)，系統采樣周期為h=100 ms，拓撲結構如圖10所示。

選取力矩電機作為被控對象，與執行器、上位機1部署在NCSLab實驗室局域網內?？刂破?直接被賦予公網ip，并通過TCP/IP協議發送控制信號和接收反饋信號，與被控端構成控制閉環回路1；控制器2部署在局域網2中，通過上位機2的JXTA通信應用程序與NCSLab實驗室中的上位機1進行通信，發送控制信號并接收反饋信號，與被控端構成控制閉環回路2。

圖10 實驗2的拓撲結構Fig.10 Topology of experiment 2

被控對象系統狀態方程為：

(7)

圖11 帶有3步延時的模型的響應曲線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，執行器由于沒有收到控制信號，輸入u(t)置為0，故系統輸出從700左右下降到500左右，出現圖13(a)中的第一個波谷。此時由于不滿足條件(7)，于是判定當前系統(系統1)故障，由系統2介入對被控對象進行控制。隨后被控對象輸出開始上升接近參考輸入，并經過第二個波谷后進入穩定狀態。第二個波谷是由于系統2采用了帶有3步延時的模型，系統輸出抖動造成的，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，被控對象輸出出現第4個波谷后進入穩定狀態。

圖13 實驗2的響應曲線Fig.13 Response carve of experiment 2

本實驗通過調整控制回路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，將控制任務發布到internet上，由internet場景下的遠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，在當前控制回路故障時啟用冗余控制回路進行控制，避免了由于網絡故障觸發系統故障的情況的發生，增強了internet環境下NCS系統的容錯能力。

4 結 論

本文研究了在internet環境下部署NCS系統時面臨的兩個問題：1)Internet遠程控制節點與被控對象的通信只能依靠固定網絡拓撲的問題；2)Internet環境下NCS系統的容錯能力問題。針對問題1)，本文通過設計、實現基于P2P技術的數據通信管道，建立了動態拓撲的NCS系統，彌補了以往工程中只能依靠固定拓撲來實現系統而帶來的諸如實現困難、容錯能力差等不足。針對問題2)，本文通過設計、實現控制任務的發布、下載功能使加入到對等組中的遠程節點都可以成為遠程控制器，從而建立冗余的控制閉環，進而增強了internet環境下NCS系統的健壯性。在實驗環節，分別驗證了在當前控制閉環的網絡出現故障時控制任務由本地轉移到internet上的遠程控制器和控制任務在internet上的遠程控制器之間的轉移。

本文的工作為在internet環境下部署具有動態拓撲的NCS系統提供了基礎。NCS系統拓撲的動態性一方面可以為數據傳輸的路由優化提供更大的空間，降低數據傳輸延時，提高系統的性能，另一方面為控制環節提供更多的控制器冗余和數據鏈路冗余增強系統的容錯能力。在未來的研究中，如何具體地針對不同的鏈路質量進行數據傳輸的優化和如何選擇冗余的遠程控制器及冗余數據鏈路將成為主要的目標。

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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

國家自然科學基金(61273104，61333003，61321062)

王湛昱(1982—)，男，博士研究生，工程師，研究方向為網絡化控制、計算機網絡技術、P2P網絡技術；

劉國平(1962—)，男，博士，教授，研究方向為網絡化控制、多智能體控制系統、非線性系統辨識與控制、多目標最優控制與決策。

劉國平

10.15938/j.emc.2016.11.013

TP 273.5

A

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