控制回路通過實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)而成的反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。由于控制回路網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸時(shí)延的存在，使得控制回路系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性非常重要。在系統(tǒng)分析了CAN總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)域特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用多率采樣和動(dòng)態(tài)時(shí)間窗設(shè)計(jì)概念，減少了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。
將通信網(wǎng)絡(luò)引人控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場設(shè)備和自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備控制的分布化和網(wǎng)絡(luò)化，同時(shí)也加強(qiáng)了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)中的信息源很多，信息的傳送要分時(shí)占用網(wǎng)絡(luò)通信線路，而網(wǎng)絡(luò)的承載能力和通信帶寬有限，必然造成信息的沖撞、重傳等現(xiàn)象的發(fā)生，使得信息在傳輸過程中不可避免地存在時(shí)延。目前國際上CAN總線的研究人員也提出了幾種高層協(xié)議，但是這些協(xié)議都不兼?zhèn)鋵?duì)網(wǎng)絡(luò)靈活性和實(shí)時(shí)性的支持。本文以CAN總線為研究對(duì)象，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了兩點(diǎn)改善方案。
一、CAN閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
隨著控制系統(tǒng)趨于復(fù)雜化，對(duì)于一個(gè)獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，受控對(duì)象和控制器一般都會(huì)分布在網(wǎng)絡(luò)的不同部分. 相對(duì)于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）時(shí)，需要考慮一個(gè)新的限制：通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制，影響網(wǎng)絡(luò)帶寬的性能有四種因素：
1. 采樣速率，各設(shè)備按此速率向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息；
2. 需要同步操作的元件數(shù)；
3. 信息的數(shù)據(jù)或報(bào)文長度；
4. 控制信息傳輸?shù)膮f(xié)議。
對(duì)于NCS，一般要求滿足兩個(gè)主要指標(biāo)：延時(shí)的限定和傳輸?shù)谋ＷC，即信息必須在限定的時(shí)間內(nèi)成功地被傳輸。失敗的傳輸或從傳感器到執(zhí)行元器件大量的延時(shí)信息將影響系統(tǒng)性能或使之不穩(wěn)定。
下面我們將在對(duì)CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)域特性的分析基礎(chǔ)上，提出一些減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率的方法。
二、CAN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)域分析
CAN協(xié)議轉(zhuǎn)為短報(bào)文而優(yōu)化，并使用報(bào)文優(yōu)先權(quán)仲裁介質(zhì)訪問方法。具有較高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文在仲裁時(shí)總能得到介質(zhì)的訪問權(quán)，所以較高優(yōu)先級(jí)報(bào)文的傳輸延時(shí)總可以被保證。與其他網(wǎng)絡(luò)相比，CAN的主要缺點(diǎn)在于較低的數(shù)據(jù)速率。因?yàn)镃AN網(wǎng)絡(luò)為位同步總線。CAN的最大速率為1Mbps，同樣限制了網(wǎng)絡(luò)的最大長度。
這里將用研究時(shí)域參數(shù)的方法描述CAN控制網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)情況。對(duì)于圖1的NCS，控制系統(tǒng)的總時(shí)延為TdeIay，包括采樣信號(hào)從傳感器送出到控制輸出信號(hào)到達(dá)執(zhí)行器的延遲時(shí)間。具體可分為采樣信號(hào)在發(fā)送緩沖中的延時(shí)TsampdeIayl，采樣信號(hào)的傳輸延時(shí)Tseddelayl，采樣信號(hào)在控制器接收緩沖中的延時(shí)TsampdeIay2，控制器的運(yùn)算延時(shí)Tmcu，控制輸出信號(hào)在控制器發(fā)送緩沖中的等待時(shí)間TcondeIayl，控制信號(hào)的傳輸延時(shí)TseddeIay2，控制信號(hào)在執(zhí)行器的接收隊(duì)列中的等待延時(shí)TCOndelay2。
總的時(shí)間延時(shí)可以用一下等式清楚的表達(dá)：
Tdelay=TsampdeIayl+TseddeIayl+TsanpdeIay2+Tmcu+ TcOn•deIayl+TseddeIay2+
TcondeIay2 （1）
=（TsampdeIayl+Tsampdelay2+TcondeIayl+Tcondelay2）+（TseddeIayl+Tseddelay2）+Tmcu （2）
隨著DSP等高速器件的應(yīng)用，Tmcu相對(duì)于其他變量可以忽略，故上式可為≈Twalt+Tsend（3）。
這里Twalt看作排隊(duì)時(shí)間，Tsend看作發(fā)送時(shí)間。
對(duì)于排隊(duì)時(shí)間Tsend將取決于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且是控制網(wǎng)絡(luò)確定性的一個(gè)主要作用。具體取決于數(shù)據(jù)長度，引導(dǎo)位，填充和位時(shí)間。設(shè)Ndala為數(shù)據(jù)字節(jié)長度，Nhead為引導(dǎo)位字節(jié)長度，Nstu什為填充為字節(jié)數(shù)，比特位長度為Tb_l（約為1us），則發(fā)送時(shí)間為Tsend=（Ndata+Nhead+Nstuff）8Tb.t（4）。
分析表明：由于信息的發(fā)送時(shí)問（Tsend）是由協(xié)議本身決定的。要提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性必須減少網(wǎng)絡(luò)中信息的等待時(shí)間（TWait）。所以我們將從減少網(wǎng)絡(luò)的信息量和均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載兩方面來提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
三、多率采樣
在對(duì)CAN總線閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延進(jìn)行分析后，要減少控制系統(tǒng)的時(shí)延應(yīng)該首先盡量減少網(wǎng)絡(luò)中的信息傳遞任務(wù)，其次，在網(wǎng)絡(luò)帶寬一定的前提下，均衡網(wǎng)路負(fù)載以提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率。
對(duì)于NCS，由于節(jié)點(diǎn)分散化，不太可能也不太實(shí)際將所有的物理信號(hào)采用單一的速率進(jìn)行采樣。通常，采樣器和保持器的采樣時(shí)間越短，系統(tǒng)得到的性能就越好。但A/D，D/A轉(zhuǎn)換器越快，其成本就越高。對(duì)于具有不同頻率的信號(hào)的系統(tǒng)，既能達(dá)到較好的性能又能使系統(tǒng)成本較低的一種好的方法就是A/D，D/A轉(zhuǎn)換器采用不同的速率。因此，多率采樣是NCS自然的選擇"。在分布式系統(tǒng)中采樣一般是采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，盡管這種采樣方式很適合于許多單回路的控制系統(tǒng)，但是對(duì)于多率采樣系統(tǒng)來說，采用同步（時(shí)間觸發(fā)）的采樣方式常常會(huì)出現(xiàn)很多的問題，如網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制使系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的要求更高，過多的冗余信號(hào)將使系統(tǒng)中的延時(shí)、空采樣、報(bào)文丟失變得更加嚴(yán)重，從而使系統(tǒng)的性能惡化。為了處理網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及消除冗余信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能的負(fù)面影響，常常采用同步（時(shí)間觸發(fā)）和異步（事件驅(qū)動(dòng)）相結(jié)合的采樣方式。
當(dāng)數(shù)字控制系統(tǒng)中各采樣器或保持器以不同的采樣周期進(jìn)行工作時(shí)，就構(gòu)成了多率采樣控制系統(tǒng)。根據(jù)多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)中各個(gè)采樣器或保持器是否同步和各采樣周期之間的關(guān)系，可以將多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)進(jìn)一步分類。
如果系統(tǒng)的各采樣器，保持器和各微機(jī)的計(jì)算都在同一的時(shí)鐘下同步進(jìn)行，再根據(jù)各采樣周期之間的關(guān)系，同步系統(tǒng)可分為：輸入多率采樣控制系統(tǒng)、輸出多率采樣控制系統(tǒng)和廣義多率采樣控制系統(tǒng)。
如果系統(tǒng)的各采樣器，保持器和各微機(jī)的計(jì)算不在同一的時(shí)鐘下同步進(jìn)行，再根據(jù)各采樣周期之間的關(guān)系，非同步系統(tǒng)可分為：輸入多率采樣控制系統(tǒng)、輸出多率采樣控制系統(tǒng)和廣義多率采樣控制系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的理論和工程實(shí)踐基本局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對(duì)于非同步多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的研究比較復(fù)雜，通常都是采用隨機(jī)的方法來進(jìn)行分析，假定局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對(duì)于非同步多率采樣數(shù)字控制系統(tǒng)的研究比較復(fù)雜，通常都是采用隨機(jī)的方法來進(jìn)行分析，假定個(gè)采樣器和保持器的采樣時(shí)間是一隨機(jī)過程，然后利用隨機(jī)系統(tǒng)的方法來進(jìn)行。
四、動(dòng)態(tài)時(shí)間窗
為了均衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載提高網(wǎng)絡(luò)利用率，結(jié)合CAN自身的特點(diǎn)，在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中，我們可以設(shè)定一個(gè)具有系統(tǒng)控制功能的節(jié)點(diǎn)，這里可以叫它為主節(jié)點(diǎn)（它區(qū)別于其他節(jié)點(diǎn)的是它的屬性優(yōu)先級(jí)最高），其他的叫從節(jié)點(diǎn)。我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它包括：時(shí)間觸發(fā)系統(tǒng)和事件觸發(fā)系統(tǒng)。前者針對(duì)的是時(shí)間觸發(fā)信息而后者針對(duì)的是事件觸發(fā)信息。那么怎樣去區(qū)分這兩者呢?對(duì)于時(shí)間觸發(fā)信息認(rèn)為它是相對(duì)于自然界是一個(gè)同步系統(tǒng)；而事件觸發(fā)信息定義它為相對(duì)于自然界是個(gè)異步系統(tǒng)。一般情況事件觸發(fā)通信的效率要比時(shí)間觸發(fā)效率高，但在考慮到最壞情況時(shí)，這種效率是無法估計(jì)的。由于事件觸發(fā)相對(duì)于自然界是異步的，所以，當(dāng)所有事件同時(shí)發(fā)生時(shí)，對(duì)它是個(gè)最壞情況。為了解決這種問題，往往需要足夠多的資源（例如：通信帶寬）。而對(duì)于時(shí)間觸發(fā)通信，它往往相對(duì)于自然界是個(gè)同步過程，它可以在所要完成控制的環(huán)境下，提前決定時(shí)隙以控制最大輪回時(shí)間。它最重要的一個(gè)特點(diǎn)是我們可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)上不同的信息流傳輸情況進(jìn)行狀態(tài)相關(guān)控制。可以對(duì)不同的信息流設(shè)置不同的狀態(tài)，以使減少在同一時(shí)間等待發(fā)送的信息，這種狀態(tài)相關(guān)控制會(huì)提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。
為了能使這兩種系統(tǒng)之間不耦合，我們引入了動(dòng)態(tài)時(shí)間窗（DTW）的概念。在一個(gè)DTW中，又包含兩個(gè)子窗：異步窗（AW）和同步窗（SW）。異步窗用于收發(fā)事件觸發(fā)消息，同步窗用于收發(fā)時(shí)間觸發(fā)消息。由于事件觸發(fā)消息一般比較少且到來具有隨機(jī)性，而且一般要求及時(shí)相應(yīng)，則在系統(tǒng)時(shí)間窗中，異步窗在前同步窗在后，且我們提出了最大異步窗的概念，爭取最大限度地及時(shí)響應(yīng)事件觸發(fā)消息和防止系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)災(zāi)難。如下為一個(gè)STW的結(jié)構(gòu)。
