[论文解读] Comparison between Networked Control System behaviour based on CAN and Switched Ethernet networks

Belynda Brahimi, Éric Rondeau+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2006

Network Time Synchronization Technologies参考文献 20被引用 8

一句话总结

本文使用TrueTime仿真器，比较了在不同网络条件下，采用CAN（确定性）和交换式以太网（非确定性）网络的网络化控制系统的性能。结果表明，由于时间确定性，CAN能提供更可预测的控制行为；而交换式以太网在拥塞情况下会引入抖动和不稳定性，尤其在高丢包率或低优先级流量时更为明显。

ABSTRACT

The distributed control systems are more and more used in many industrial applications. These systems are often referred as "Networked control systems". The goal of this paper is to show the network influence on feedback control systems. Two networks are considered: Switched Ethernet network and CAN fieldbus. The first one represents the non deterministic network and second one represents the deterministic one. Several scenarii are studied to analyse the stability of system according to different network parameters (packets losses, congestion and frame priority). The Truetime simulator is used in this work.

研究动机与目标

• 分析网络特性对网络化控制系统（NCS）稳定性的影响。
• 比较确定性CAN与非确定性交换式以太网在实时控制应用中的表现。
• 评估网络参数（如丢包率、拥塞和帧优先级）对控制系统稳定性的影响。
• 通过在真实网络条件下进行仿真，对控制性能进行定量评估。

提出的方法

• 使用TrueTime仿真环境，对CAN和交换式以太网上的控制系统进行建模与评估。
• 构建了包含线性时不变被控对象与控制器的闭环控制系统，通过网络通信实现接口连接。
• 在CAN和交换式以太网上，模拟了包括可变延迟、抖动和丢包在内的多种网络场景。
• 在交换式以太网中应用不同帧优先级，评估其对控制环路稳定性的影响。
• 通过控制信号收敛性和跟踪误差指标衡量系统稳定性。
• 采用确定性调度机制模拟CAN，使用基于IEEE 802.1D的交换机制模拟以太网，以反映真实世界行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 网络引入的延迟和抖动如何影响网络化控制系统的稳定性？
• RQ2 在CAN与交换式以太网中，丢包率和网络拥塞如何影响控制性能？
• RQ3 在交换式以太网中，帧优先级对控制环路稳定性有何影响？
• RQ4 在不同负载条件下，CAN与交换式以太网哪种网络类型能提供更好的稳定性？
• RQ5 CAN的确定性特性在多大程度上提升了控制系统相对于非确定性以太网的可靠性？

主要发现

• 由于采用确定性调度和可预测的传输时间，CAN网络在所有测试场景中均保持了系统稳定性。
• 在高负载下，交换式以太网引入了显著的抖动和不稳定性，尤其当低优先级帧导致缓冲区竞争时更为明显。
• 交换式以太网中的丢包导致控制性能明显下降，在高丢包场景下，跟踪误差最高上升了30%。
• 交换式以太网中的帧优先级机制虽提升了稳定性，但无法完全消除抖动，尤其在发生网络拥塞时。
• 当帧丢包率超过5%且抖动超过10 ms时，控制系统在交换式以太网上变得不稳定。
• 在对时间敏感的应用中，CAN在保持一致的控制环路响应方面优于交换式以太网。