第21 卷 第1 期
Vol. 21 No. 1
控 制 与 决 策
Control and D ecision
2006 年1 月
Jan. 2006
收稿日期: 2004212201; 修回日期: 2005203221.
基金项目: 北京市自然科学基金项目
(
3052011
)
.
作者简介: 杨丽曼
(
1975—
)
, 女, 河北榕城人, 博士生, 从事机电网络控制的研究; 李运华
(
1963—
)
, 男, 河北邢台人,
教授, 博士生导师, 从事机电控制、非线性控制等研究.
文章编号: 100120920
(
2006
)
0120068205
网络控制系统的时延和负载分析
杨丽曼, 李运华
(
北京航空航天大学 自动化学院, 北京 100083
)
摘 要: 针对运动体机械和大型制造装备多机电子系统协调运动控制所涉及的控制网络的特殊性, 分别从控制和网
络两方面给出了回路时延和网络时延的界定, 并从目的、性质和获取方法等角度进行了比较. 通过对网络时延的特性
和评价指标的理论分析和数学描述, 指出在系统运行过程中网络负载和负载波动是产生时延和时延抖动的直接原
因, 进一步讨论了控制网络中的负载构成和具体的估计方法. 仿真结果验证了理论分析方法的有效性.
关键词: 网络控制系统; 时延; 网络负载
中图分类号:
TP
273 文献标识码:
A
Analysis of Delay and Load in Networked Control System s
YA N G L i
2
m an
,
L I Y un
2
hua
(
School of A utom ation Science and Electrical Engineering
,
Beihang U niversity
,
Beijing
100083,
China
.
Correspondent
:
YAN G L i
2
m an
,
E
2
m ail
:
lim an
-
yang
@
sina
.
com
)
Abstract
:
A im ing at the particularity of control netwo rk
,
involved in the coo rdinated motion control of m ulti
2
m echatronic
2
subsystem in large m anufacturing devices and mobile m achines
,
the concep tions of loop
2
delay and
netwo rk
2
delay in view of control and netwo rk are p ropo sed
,
and their intentions
,
p roperties and acquiring m ethods
are compared
.
Theo retical analysis and m athem atical description about characteristics and evaluating indicators for
netwo rk
2
delay
,
indicate that network load and load fluctuation are the direct causes of delay and delay jitter during
the system running
.
Furthermo re
,
the network load compo sition and an estim ating m ethod are discussed
.
The
sim ulation results verify the validity of the p roposed theoretical analysis m ethods
.
Key words
:
N etworked control system s
;
T im e delay
;
N etwork load
1
引 言
网络控制系统
(
NCS
)
是指通过现场总线、工业
以太网或无线网络将分散的、智能化的现场检测、控
制及执行设备作为网络节点连接起来共同完成控制
任务的实时系统
[1, 2 ]
. 它是基于开放通信网络的分布
式计算机控制系统, 通过数据在网络节点间传输实
现采样与控制信号发送. 网络上所传送的数据包括
周期性数据和少量猝发数据, 数据类型一般为短信
息, 但对截止期有严格要求. 任务确定时, 网络负载
在很大程度上取决于采样周期的大小. 控制网络中
的节点数较多, 信号发送频率较高, 因此要求系统能
合理分配网络资源, 并对信息有足够快的反应. 在
NCS
中, 网络传输引起的时延出现在闭环回路中,
随负载变化呈现不确定性, 使原本等间隔的数字采
样变得不再等间隔, 造成反馈和控制信号产生随机
的相位滞后. 而包丢失、空采样和样本拒绝等现象可
归结为时延抖动
(
突发的非规律性变化
)
, 这些都会
对系统的控制性能和稳定性产生不利影响.
控制网络的分析和设计应该着重从实时性的角
度出发, 其中时延和时延抖动是网络能否良好服务
于控制的关键因素. 通过协议改进和整体调度策略
优化在一定程度上可以抑制时延和时延抖动, 或者
在掌握时延分布特征的前提下在控制算法中进行补
偿
[3～ 5 ]
. 关于时延分析的代表性研究成果有:
N ilsson
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