网络控制系统延时疑难解析

网络控制系统与分布式控制系统的重要区别在于网络传输的延时。由于网络控制系统的结构特性，本地端的传感器数据和控制端的控制信号都需要通过网络传输，在众多设备共享的网络中，其传输过程中存在不确定延时，延时对实时控制系统的稳定性有严重影响。如图8.12所示，传输延时由多部分组成，包括采样延时Tsp、传输延时Ttd和计算延时Tps，其中传输延时存在不确定性。

图8.12　网络控制系统中的数据延时

在一个控制周期中，包括采样、传输、计算、控制4部分。本地端的传感器对电机的相电流进行采样，采样延时Tsp由传感器采样保持时间和传感器响应速度决定。采样数据通过网络传输到网络云端控制器，传输延时Ttd与网路的拥堵程度有关，控制器根据采样数据经过计算获得最优控制输出，计算时间Tps与计算速度和控制程序复杂度有关。最优控制输出通过网络传输到驱动器，并由驱动器执行控制指令，指令的执行时间Trp与系统惯性有关。采样延时、计算时间和执行时间均可以根据系统配置参数确定，而传输延时Ttd由于与网路的拥堵程度有关，因此，存在不确定性。传输延时对控制系统的影响如图8.13所示。

图8.13　考虑传输延时和不考虑系统延时的控制系统对比

（a）不考虑通信延时的控制系统；（b）考虑通信延时的控制系统。(www.xing528.com)

从图8.13可以看出，由于不确定延时的引入，系统的状态方程发生变化，对系统的稳定性产生影响。为了解决传输延时问题，采用时间标签法在数据包中添加时间标签，时间标签上记录了数据的产生时间，基于时间标签可以对传输延时进行估算，并进行相应补偿：

式中，kc表示当前时间，ks表示数据标签时间，传输时间为Nd＝kc－ks。Uks＋j∣ks代表第ks时间点发出的控制序列。通过上述公式进行补偿，有效地减少了传输延时引起的状态计算误差。

网络控制器的指令序列包括未来Hp个控制周期的指令，驱动器接受指令并在新的周期内执行指令。图8.14表示了驱动器执行控制指令的方法。控制命令CMD（1）在T1时间点发出，经过网络传输在T3时间点前到达驱动器，驱动器从T3控制周期开始执行CMD（1），直到下一控制指令到达。由于网络传输的不确定性，存在两个控制指令同时到达的可能，此时执行最新的控制指令，例如CMD（2）和CMD（3）在同一周期内到达，此时在新控制周期内仅执行CMD（3）。对于网络传输中的丢包现象，驱动器也有应对方法，如传输过程中指令CMD（n－5）丢失，此时驱动器继续执行CMD（n－6）直到CMD（n－4）到达。

图8.14　驱动器执行控制指令示意图