基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò )化控制仿真實(shí)現

延時(shí)特性分析及補償方法

網(wǎng)絡(luò )化控制系統的分析和設計比傳統的點(diǎn)對點(diǎn)控制復雜的主要原因在于網(wǎng)絡(luò )延時(shí)。在采用以太網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò )化控制系統中，雖然以太網(wǎng)傳輸的實(shí)時(shí)性隨著(zhù)快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展得到了解決，但由于有限的網(wǎng)絡(luò )資源被網(wǎng)絡(luò )中的多個(gè)節點(diǎn)共享，使控制系統中的實(shí)時(shí)信息不能及時(shí)傳送，加之包交換的網(wǎng)絡(luò )間延時(shí)的不確定性，嚴重影響了系統的控制性能，甚至造成系統的不穩定。因此，網(wǎng)絡(luò )化控制仿真平臺要提供對真實(shí)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的模擬必須首先明確網(wǎng)絡(luò )延時(shí)的特點(diǎn)。

延時(shí)分布特性

往返時(shí)間round trip time 簡(jiǎn)稱(chēng)為rtt，是指小數據包從網(wǎng)絡(luò )源節點(diǎn)A 發(fā)出，經(jīng)網(wǎng)絡(luò )到達目的節點(diǎn)B 后又返回到A 所用的時(shí)間。本文在實(shí)驗裝置所訪(fǎng)問(wèn)的廣域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行rtt測量，以便從測量數據中分析得到延時(shí)分布特性。測量使用仿真系統的延時(shí)測量模塊。該模塊采用Van Jacobson 提出的高精度測時(shí)思想，用Simulink 系統函數實(shí)現。

圖4 是在網(wǎng)絡(luò )處于正常條件下，實(shí)際測得實(shí)驗裝置所使用的廣域網(wǎng)的rtt 分布。測量進(jìn)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。根據帶限白噪聲定義，即功率譜密度函數僅在某些有限頻率范圍內取異于零的常數，為理論分析的簡(jiǎn)化，將測得的延時(shí)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 也指出將大多數的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)近似為白噪聲是合理的。

相對于具有較大截止頻率，即時(shí)間常數較大，動(dòng)態(tài)響應較慢的系統，由于允許的采樣周期較長(cháng)，該數量級的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)對控制系統的影響也許可以忽略，但當被控對象為快速響應系統時(shí)，網(wǎng)絡(luò )延時(shí)的數量級很可能等于甚至遠大于控制系統的采樣周期，此時(shí)必須對延時(shí)進(jìn)行補償以保證控制系統的穩定。

延時(shí)補償方策略

由于延時(shí)的不確定性，在網(wǎng)絡(luò )化控制中，無(wú)法保證在一個(gè)采樣周期內恰有相應時(shí)刻的信號到來(lái)，可能在該采樣周期沒(méi)有收據，即空采樣，也可能收到多個(gè)收據，即多采樣，還可能收到被延時(shí)的數據，即延時(shí)采樣。為此，仿真系統對網(wǎng)絡(luò )化控制系統的前向和反饋通道的延時(shí)分別進(jìn)行了補償。

信息在網(wǎng)絡(luò )間傳輸的格式為：時(shí)間戳+對應的數據值。由于仿真系統提供了同步機制模塊，為簡(jiǎn)化編程，可在發(fā)送時(shí)間信息時(shí)，只發(fā)送相應的周期索引值而非硬時(shí)鐘值。圖6 描述了仿真系統采用的網(wǎng)絡(luò )延時(shí)補償策略。

為和傳統的數字控制系統一致，仿真系統中的控制器，傳感器和執行器節點(diǎn)均采用時(shí)間驅動(dòng)方式，即設備工作由時(shí)鐘控制，按照一定的周期來(lái)執行操作。