基于演算理論的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)延遲模型及其應(yīng)用研究.pdf

1、控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化程度是工業(yè)自動化的關(guān)鍵，是衡量一個國家工業(yè)水平的重要指標(biāo)。進(jìn)入21世紀(jì)以來，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)了身處異地，甚至不同星球的人們實時聯(lián)系的夢想，今后將更多的涉及網(wǎng)絡(luò)與物理環(huán)境的交互。即將感知節(jié)點、執(zhí)行節(jié)點和具有計算能力的控制節(jié)點，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接起來所構(gòu)成的分布式系統(tǒng)，就是物理環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)的信息交流平臺。不可否認(rèn)，控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是對已有控制理論和控制模式的巨大挑戰(zhàn)，又極可能衍生出一種新的控制模式和控制方法。但是網(wǎng)

2、絡(luò)的引入也帶來了棘手的問題——信息傳輸延遲。網(wǎng)絡(luò)的共享本質(zhì)決定了延遲不可能完全消除，只能利用各種手段來確定或估計當(dāng)前和未來的延遲，并以此作為控制器的延遲參數(shù)，才能最大限度地消除延遲對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的負(fù)面影響。影響網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的因素眾多，首先要確定哪些需要深入研究，哪些可以忽略。直觀上，汽車從目的地出發(fā)需要經(jīng)過多條公路和十字路口才能到達(dá)目的地，因此汽車在路上經(jīng)過的時間，與相應(yīng)的路寬、平坦程度有關(guān)，還與此時段公路上的汽車數(shù)目、分

3、布地點及其密集程度等密切相關(guān)。同樣在通信網(wǎng)絡(luò)中也存在類似的影響關(guān)系，影響信息包傳輸延遲的因素包括了網(wǎng)絡(luò)特性，還有信源特性，即信源產(chǎn)生負(fù)載的特性。因此本文在研究過程中，將信源與網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行了研究，將二者視為影響延遲的兩類主要因素。通信網(wǎng)絡(luò)中，無論信源還是網(wǎng)絡(luò)本身在一定程度上都可以分為確定型和隨機(jī)型兩種。其中確定型信源是指信源按照預(yù)定的模型產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，不受其他因素的干擾，其產(chǎn)生的負(fù)載量及其分布都可以根據(jù)模型而確定(如時間驅(qū)動的

4、傳感器結(jié)點)。與之相似，確定型網(wǎng)絡(luò)是指網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量(如延遲、帶寬等)也可以根據(jù)已知的模型而確定，不存在其他隨機(jī)因素的干擾；隨機(jī)型信源和網(wǎng)絡(luò)則相反，信源產(chǎn)生的負(fù)載，以及網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量都存在隨機(jī)因素的干擾，不能根據(jù)相應(yīng)的模型而提前確定(如事件驅(qū)動的傳感器結(jié)點)。因此本文就信源和網(wǎng)絡(luò)分別為確定型和隨機(jī)型的前提下，進(jìn)行了研究。本文首先研究了網(wǎng)絡(luò)傳輸特性，以及各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量控制技術(shù)在各層協(xié)議中的實現(xiàn)方法，通過數(shù)據(jù)分析和仿真，得出

5、了控制系統(tǒng)中的采樣周期、數(shù)據(jù)包長度網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率等與網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的關(guān)系；然后詳細(xì)研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在的各種節(jié)點模型，得出不同節(jié)點對數(shù)據(jù)流的不同影響，并建立了具體的信源節(jié)點模型。第二，引入了演算理論來具體計算網(wǎng)絡(luò)的點對點傳輸延遲。針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的確定型信源和確定型網(wǎng)絡(luò)，建立了演算理論在控制系統(tǒng)中的確定型理論框架，并通過兩種典型的控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到了確定型延遲理論和模型。第三，在確定型延遲理論的基礎(chǔ)上，針對網(wǎng)絡(luò)控制

6、系統(tǒng)的隨機(jī)型信源，分別在確定型網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)型網(wǎng)絡(luò)上，建立了演算理論的隨機(jī)傳輸延遲理論。與確定型延遲不同，隨機(jī)型延遲雖然比確定型計算方法復(fù)雜，但是得到的結(jié)果與實際網(wǎng)絡(luò)延遲更加接近，對控制器的參考價值也更大。第四，受隨機(jī)延遲理論允許丟包的啟發(fā)，在本文最后，將延遲模型應(yīng)用于控制系統(tǒng)時，將延遲計算方法集成在有效延遲模塊內(nèi)，有效延遲不但包括了傳輸延遲，而且能夠自動監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)信息的有效性，實例仿真證明了本文延遲模型的有效性。關(guān)鍵詞：