延時特性分析及補償方法

網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的分析和設計比傳統(tǒng)的點對點控制復雜的主要原因在于網(wǎng)絡延時。在采用以太網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中，雖然以太網(wǎng)傳輸?shù)膶崟r性隨著快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)技術的發(fā)展得到了解決，但由于有限的網(wǎng)絡資源被網(wǎng)絡中的多個節(jié)點共享，使控制系統(tǒng)中的實時信息不能及時傳送，加之包交換的網(wǎng)絡間延時的不確定性，嚴重影響了系統(tǒng)的控制性能，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，網(wǎng)絡化控制仿真平臺要提供對真實網(wǎng)絡環(huán)境的模擬必須首先明確網(wǎng)絡延時的特點。

延時分布特性

往返時間round trip time 簡稱為rtt，是指小數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡源節(jié)點A 發(fā)出，經(jīng)網(wǎng)絡到達目的節(jié)點B 后又返回到A 所用的時間。本文在實驗裝置所訪問的廣域網(wǎng)環(huán)境下進行rtt測量，以便從測量數(shù)據(jù)中分析得到延時分布特性。測量使用仿真系統(tǒng)的延時測量模塊。該模塊采用Van Jacobson 提出的高精度測時思想，用Simulink 系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)。

圖4 是在網(wǎng)絡處于正常條件下，實際測得實驗裝置所使用的廣域網(wǎng)的rtt 分布。測量進行了1000 次，其均值為0.3877s，均方差為0.0106s。從頻域角度分析，得到的功率譜密度如圖5 所示。根據(jù)帶限白噪聲定義，即功率譜密度函數(shù)僅在某些有限頻率范圍內(nèi)取異于零的常數(shù)，為理論分析的簡化，將測得的延時近似為低通白噪聲，這可由低通白噪聲對功率譜密度的定義

可知。Srinivasagupta 也指出將大多數(shù)的網(wǎng)絡延時近似為白噪聲是合理的。

相對于具有較大截止頻率，即時間常數(shù)較大，動態(tài)響應較慢的系統(tǒng)，由于允許的采樣周期較長，該數(shù)量級的網(wǎng)絡延時對控制系統(tǒng)的影響也許可以忽略，但當被控對象為快速響應系統(tǒng)時，網(wǎng)絡延時的數(shù)量級很可能等于甚至遠大于控制系統(tǒng)的采樣周期，此時必須對延時進行補償以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

延時補償方策略

由于延時的不確定性，在網(wǎng)絡化控制中，無法保證在一個采樣周期內(nèi)恰有相應時刻的信號到來，可能在該采樣周期沒有收據(jù)，即空采樣，也可能收到多個收據(jù)，即多采樣，還可能收到被延時的數(shù)據(jù)，即延時采樣。為此，仿真系統(tǒng)對網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的前向和反饋通道的延時分別進行了補償。

信息在網(wǎng)絡間傳輸?shù)母袷綖椋簳r間戳+對應的數(shù)據(jù)值。由于仿真系統(tǒng)提供了同步機制模塊，為簡化編程，可在發(fā)送時間信息時，只發(fā)送相應的周期索引值而非硬時鐘值。圖6 描述了仿真系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡延時補償策略。

為和傳統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)一致，仿真系統(tǒng)中的控制器，傳感器和執(zhí)行器節(jié)點均采用時間驅(qū)動方式，即設備工作由時鐘控制，按照一定的周期來執(zhí)行操作。