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

延時(shí)特性分析及補(bǔ)償方法

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制復(fù)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(tǒng)中，雖然以太網(wǎng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性隨著快速以太網(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(jié)點(diǎn)共享，使控制系統(tǒng)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(yán)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(luò)化控制仿真平臺(tái)要提供對(duì)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)稱為rtt，是指小數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)A 發(fā)出，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)B 后又返回到A 所用的時(shí)間。本文在實(shí)驗(yàn)裝置所訪問的廣域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行rtt測(cè)量，以便從測(cè)量數(shù)據(jù)中分析得到延時(shí)分布特性。測(cè)量使用仿真系統(tǒng)的延時(shí)測(cè)量模塊。該模塊采用Van Jacobson 提出的高精度測(cè)時(shí)思想，用Simulink 系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖4 是在網(wǎng)絡(luò)處于正常條件下，實(shí)際測(cè)得實(shí)驗(yàn)裝置所使用的廣域網(wǎng)的rtt 分布。測(cè)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(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(jiǎn)化，將測(cè)得的延時(shí)近似為低通白噪聲，這可由低通白噪聲對(duì)功率譜密度的定義

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

相對(duì)于具有較大截止頻率，即時(shí)間常數(shù)較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢的系統(tǒng)，由于允許的采樣周期較長(zhǎng)，該數(shù)量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響也許可以忽略，但當(dāng)被控對(duì)象為快速響應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的數(shù)量級(jí)很可能等于甚至遠(yuǎn)大于控制系統(tǒng)的采樣周期，此時(shí)必須對(duì)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

延時(shí)補(bǔ)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(nèi)恰有相應(yīng)時(shí)刻的信號(hào)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(gè)收據(jù)，即多采樣，還可能收到被延時(shí)的數(shù)據(jù)，即延時(shí)采樣。為此，仿真系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的前向和反饋通道的延時(shí)分別進(jìn)行了補(bǔ)償。

信息在網(wǎng)絡(luò)間傳輸?shù)母袷綖椋簳r(shí)間戳+對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值。由于仿真系統(tǒng)提供了同步機(jī)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(yīng)的周期索引值而非硬時(shí)鐘值。圖6 描述了仿真系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)補(bǔ)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(diǎn)均采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，即設(shè)備工作由時(shí)鐘控制，按照一定的周期來執(zhí)行操作。