（检测技术与自动化装置专业论文）基于互联网远程控制时延问题的分析与研究.pdf

摘要 摘要 互联网接入简单、价格便宜，并且性能越来越好。基于互联网远程控制是目 前控制领域的研究热点和难点。中外学者进行了大量的研究，取得很大的成果， 但主要针对没有严格实时性要求的一些应用。 本文专门针对基于互联网远程控制时延问题，分析了互联网时延的组成、时 钟同步、时延实时测量方法；研究了基于互联网远程控制系统时延影响，分析了 s m i t h 预估补偿原理；并考虑到基于互联网远程控制系统中前向通道和反馈通道 都存不确定时延，提出了前向通道与反馈通道时延全补偿控制算法；进行了仿真 实验，仿真结果表明：在基于互联网远程控制中应用前向通道与反馈通道时延全 补偿控制算法，明显改善了系统的性能。但如果补偿器使用的时延补偿参数与前 向通道时延、反馈通道时延不匹配，即存在时延补偿误差时系统的性能仍然不能 得到改善。在控制系统中设计时延预测算法，目的是根据历史时延数据去预测下 一个采样时刻的前向通道时延和反馈通道时延，让全补偿器使用的时延补偿参数 与前向通道时延、反馈通道时延预测值相匹配。 另外，在广东工业大学r o c k w e l l 自动化实验室建了一个实验平台：基于互联 网远程扳手劲控制系统。本文阐述了该系统结构设计、硬件选型、功能原理和网 络配置，建立了控制系统数学模型，将前向通道与反馈通道时延全补偿控制算法 应用到此实验平台中，并对t r u e t i m e 工具箱中的通信干扰节点进行编程，模拟网 络随机时延进行了仿真实验，实验结果再次验证了前向通道与反馈通道时延全补 偿控制算法的有效性。 关键词：远程控制、时钟同步、时延测量、时延补偿、远程扳手劲 广东工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t i n t e r n e ta c c e s sb e c o m e se a s i e r ，m o r ec o s t e f f e c t i v ea n dt h ed a t at r a n s f e r sa r e g e t t i n gf a s t e ra n dm o r er e l i a b l e i n t e r n e t - b a s e dt e l e o p e r a t i o nc o n t r o li s ah o ta n d c o n t r o v e r s i a li s s u ei nt h ef i e l do fa u t o m a t i o n s c h o l a r sa r o u n dt h ew o r l dh a v ed o n ea g r e a td e a lo fr e s e a r c ha n dr e a c h e dg r e a ta c h i e v e m e n t s ，m a i n l yf o c u s i n go ns o m e a p p l i c a t i o n si nw h i c hah a r d r e a l t i m ee n v i r o n m e n ti sn o td e m a n d e d t h i sp a p e rf o c u s e so nd e l a yi s s u eo fi n t e r n e t - b a s e dt e l e o p e r a t i o nc o n t r 0 1 a c o u p l eo ft o p i c ss u c ha st h ec o m p o s i t i o no fd e l a y ，c l o c ks y n c h r o n i z a t i o n ，d e l a y m e a s u r e m e n tm e t h o da r ed i s c u s s e d o ns t u d y i n gt h ed e l a yp r o b l e mt oi n t e r n e t - b a s e d t e l e o p e r a t i o nc o n t r o la n da n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fs m i t he s t i m a t i o nc o m p e n s a t i o n ， a n dc o n s i d e r i n gt h a tt h ef o r w a r dc h a n n e la sw e l la st h ef e e d b a c kc h a n n e le x i s t s u n c e r t a i nd e l a yi ni n t e r n e t b a s e dt e l e o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，a c o m p e n s a t i o n c o n t r o la l g o r i t h mb a s i n go nf o r w a r da n df e e d b a c kc h a n n e lf o r e c a s t i n gd e l a yi s d e s c r i b e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o m p e n s a t i o na l g o r i t h m i se f f e c t i v ew h e ni ti sa p p l i e di ni n t e r n e t b a s e dt e l e o p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m b u ti f t h ed e l a yc o m p e n s a t i o np a r a m e t e rd o e sn o tm a t c ht h ef o r w a r da n df e e d b a c kc h a n n e l d e l a yr e s p e c t i v e l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h i sc o n t r o la l g o r i t h mi su n s a t i s f i e d ad e l a y p r e d i c t i o na l g o r i t h mb a s e do nh i s t o r i c a ld a t ai sg i v e ni nt h i sp a p e rt om a k es u r et h a t t h ec o m p e n s a t i o nd e l a yp a r a m e t e ri sc l o s et ot h ef o r w a r da n df e e d b a c kc h a n n e ld e l a y r e s p e c t i v e l y f u r t h e rm o r e ，a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，i n t e r n e t b a s e da r mw r e s t l i n gc o n t r o l s y s t e mw a sb u i l ti nr o c k w e l la u t o m a t i o nl a b o r a t o r yi ng u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g n ，t h eh a r dw a r e ss e l e c t i o n ，t h ef u n c t i o n p r i n c i p l ea n dt h en e t w o r kc o n f i g u r a t i o no ft h ep l a t f o r m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h ec o n t r o ls y s t e mi sc r e a t e d ，b a s i n go nf e e d b a c kc h a n n e ld e l a ya sw e l la sf o r w a r d i n t h ee n dat o o l b o xn a m e dt r u e t i m ei su s e di nas i m u l a t i o np l a t f o r mw h e r eu n c e r t a i n n e t w o r kd e l a yi sc r e a t e di nan e t w o r ki n t e r f e r e n c en o d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc o m p e n s a t i o nc o n t r o la l g o r i t h ma l s oc a n - 1 1 - a b s t r a c t e f f e c t i v e l ys o l v et h ed e l a yp r o b l e mi ni n t e r n e t - b a s e da r mw r e s t l i n gc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：t e l e o p e r a t i o n ， c l o c k s y n c h r o n i z a t i o n ，d e l a ym e a s u r e m e n t ，d e l a y c o m p e n s a t i o n ，a r mw r e s t l i n gt h r o u g hi n t e r n e t 1 1 1 - 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：影 指导教师签字： 壹纠鸣 2 0 0 8 年5 月3 0 日 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 远程控制的发展及意义 远程控制系统原理如图1 1 所示：控制器发出的控制信息通过传输介质送到 被控对象，与此同时，被控对象的反馈信息通过传输介质返回到控制器。与传统 控制相比，远程控制便捷、灵活经济、开放性好。 反馈信息 图1 1 远程控制系统原理图 f i g 1 1t e l e - c o n t r o ls c h e m a t i cd i a g r a m 远程控制系统的发展与网络技术的发展密切相关。早期的远程控制系统基于 专用网络和专用控制协议【1 i 。如r s 2 3 2 c 、i e e e 4 8 8 ( g p i b ) 等传输控制协议和相 应的硬件。但是采用r s 2 3 2 标准时，在9 6 k b s 传输速率下，其最大传输距离为 仅为1 5 米；采用r s 4 4 9 标准时，在1 0 k b s 传输速率下，其最大传输距离也才2 4 0 米。另外这些基于专用网络和专用控制协议的远程控制需要大量的设备和资金的 投入，进行专用网络建设和软硬件的配置，系统缺乏通用性。 现场总线技术是控制理论、现场仪表和计算机网络三者结合的产物，从本质 上讲，现场总线技术是一种数字通信协议，是连接智能化现场设备和自动化系统 的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网络。现场总线出现后，网络 化、集成化、智能化便成为工业控制系统发展的一种必然趋势。但是从通信协议 上看，和i s o 0 s i 的七层体系结构相比较，现场总线模型在进行数据传输的时候 需要特定的功能块、设备描述和传送块以及通信协议，这样就大大降低了网络的 互连性，现场总线控制系统仍不能成为一种开放的、可互操作的、网络化的控制 系统，它虽然在一定程度上拓展了远程控制的距离，但基本上还是在有限的空间 距离内进行的。随着计算机局域网技术的不断完善，尤其是基于t c p i p 协议的 以太网技术的逐渐成熟，使得网络技术融入远程控制系统后，不仅可以迸一步拓 展远程控制的距离，而且可以大大改善远程控制的互连性、透明性。例如比较典 广东工业大学工学硕：l 学位论文 型的1 0 0 b a s e t 局域网，它的通讯距离可以达到2 8 k i n ，通讯速度可以达到 1 0 0 m b s ，而光纤分布式数据互连f d d i 作用距离可以达到2 0 0 k m ，通讯速度可以 达到1 0 0 m b s 。 总之，从r s 2 3 2 c 和i e e e 4 8 8 ( g p i b ) 等专用协议到现场总线，再到以太网， 远程控制的优势( 便捷、安全、经济和容易集成) 变得越来越明显。 2 0 世纪8 0 年代末期，起源于美国的互联网飞速发展，现在互联网是世界上 规模最大的计算机网络，可以说互联网的出现使信息控制的距离延伸到世界各地。 互联网是基于t c p i p 体系结构进行信息通信的，它是一个事实上的国际标准。 将传统远程控制变成在任何时间、对任何地点的任何设备进行控制，这不仅仅要 求信息传送的正确无误，而且要保证传送距离能够任意延伸。而基于t c p i p 的 互联网能确保正确无误地将信息传送到指定的任意目的地，这正满足了远程控制 对信息传送的要求。互联网是一个开放的、互连的网络，这就为真正意义上的远 程控制提供了技术平台，使远程控制技术的发展进入了一个新时代。 随着计算机技术、网络技术和通讯技术的高速发展，特别是这些技术的综合 运用，研究人员开始考虑能否通过互联网在世界范围内对被控对象实施有效控制。 互联网的应用将会使远程控制技术发生质的变化，基于互联网远程实时监控系统 不仅可以实现异地控制，也可以实现大范围的资源共享，因此基于互联网远程控 制的研究倍受国内外专家学者的关注。基于互联网远程控制系统的基本结构如图 1 2 所示。 操作 检测 图1 2 基于互联网远程控制系统原理图 f i g 1 - 2i n t e r a c t - b a s e dt e l e o p e r a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 2 第一章绪论 1 2 基于互联网远程控制的基本问题 在基于互联网远程控制系统中，传感器的测量数据、控制量以及控制系统的 状态信息，都通过互联网进行传输和交换。数据通过互联网传输存在一些问题： 网络诱导时延、数据包丢失、数据包时序错乱、单包传输或多包传输、网络调度 等等 2 】f 3j 【4 】【5 1 。 1 2 1 网络时延 控制系统通过网络交换数据时，多个节点共享同一网络通道而引起的时延， 称为网络时延。网络时延是影响网络控制系统稳定性的关键。若在设计控制系统 时不考虑这种时延的存在，控制系统的稳定性将得不到保证。 网络时延由四部分组成【6 】：传感器节点采集数据、处理数据和竞争发送权所 花费的时问；传感器数据在网络上传输的时间；控制器节点计算控制量、处理数 据和竞争发送权所花费的时间；控制量在网络上传输所花费的时间。数据在网络 上传输的时间又称为通道时延，而节点竞争发送权所花费的时间又称为器件时延。 一般来说，当网络中不含网关、路由等中继设备时，通道时延可以认为是固定的， 其大小与网络的速度、数据包的大小有关。当网络中含有中继设备时，中继设备 的队列机制会增大通道时延。器件时延的大小与网络的协议相关。在进行系统分 析与设计时，可将器件时延和通道时延合并考虑，标记为“传感器一控制器”和 “控制器一执行器时延，称为网络诱导时延。当时延远小于采样周期时，时延 的影响可以忽略不计，但设计闭环网络控制系统的控制器就必须考虑信息的传输 时延，因为网络时延是时变的。 1 2 2 数据包丢失 数据在互联网传输过程中，不仅会产生传输时延，当网络出现拥塞、冲突或 节点失灵时，数据包有可能丢失。虽然网络具有重新传输机制，但也只能是在一 定的时间范围内，当在规定的时间内仍然没有成功发送数据，数据就会丢失。控 制数据包丢失可能会导致系统失控，反馈数据包丢失会导致系统的不稳定。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 2 3 单包传输和多包传输 单包传输是控制数据或反馈数据被捆在一个数据包中一起发送。多包传输是 则是将控制信息数据或被控对象的反馈信息数据分为多个数据包进行传输。要进 行多包传输，一方面是因为单包字节大小的限制，一个数据包只能装载有限的信 息；另一方面是因为网络控制系统的多个传感器或执行器常常分布在一个很大的 物理空间，要将这些数据放在一个数据包中往往不可能。传统的采样控制系统都 是假设被控对象的输出或控制输入是同时传递的，而这在具有多包传输的网络控 制系统中已不再成立，因为一个数据要分成多个数据包，多次传输，这些数据包 不可能同时传递，也不可能同时达到。 1 2 4 数据包时序错乱 在网络环境下，数据包经过多个计算机节点或通讯设备，且不同数据包的路 径不尽相同，这必然导致数据包的时序错乱。在网络控制系统中，数据包的时序 错乱有分为以下两种情况： ( 1 ) 单包传输时序错乱。一次采样周期内，控制器的控制或被控对象反馈信息 数据被捆在一个数据包中发送，由于传输路径和时延的差异，前后被发送的两个 数据包，有可能先发送的数据包反而后到。 ( 2 ) 多包传输时序错乱。一次采样周期内，控制器的控制或被控对象反馈信 息数据被分成多个数据包进行传输，由于传输路径和时延的差异，它们到达目的 地时的顺序与发送时不同了。 这两种情况对于系统稳定性和性能的影响也不相同，在网络控制系统的设计 和分析中必须分别对待。 1 2 5 网络调度 网络控制系统的性能不仅依赖于控制算法，而且也依赖于对共享的网络资源 的调度，这里所说的网络调度发生网络传输层上层，调度算法所关心的是被控对 象传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权，而不关心被发送的数据如何 更有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应采用何种措施。这些问题在网 络层由线路优化和堵塞控制算法来考虑。发生在网络传输层上层的调度控制，调 4 第一章绪论 整采样周期和采样时刻，尽量避免网络冲突，尽可能减少数据的传输时延。 1 3 基于互联网的远程控制的研究概述 互联网发展和普及改变了人们的生活、工作和思维方式，并且从最初的辅助 性工具开始逐渐成为很多人日常生活、工作和学习的重要组成部分。由于互联网 在信息传递上的各种优势，基于互联网远程控制技术得到了迅速的发展并且取得 了大量的成果。目前这些成果主要集中在远程操作的范围内，应用领域包括：远 程学习实验室、教育科研共享设备、远程医疗手术、远程汽车控制、远程家电控 制、航空航天以及远程操作机器人等。其中以基于互联网的远程操作机器人的研 究成果最引人注目。 最早出现在互联网上的远程操作机器人系统是1 9 9 3 年1 1 月德福大学开发的 机器人天文望远镜【引。天文望远镜在互联网上对天文爱好者开放，爱好者可以通 过w e b 浏览器访问其主页，控制望远镜变换角度和焦距，并把观测结果通过电子 邮件发送给使用者。 1 9 9 4 年9 月美国加州大学伯克利分校完成了m e r c u r y 项目，将a s e a i r b 6 工业机器人连接到互联网上，操作者可以通过登录到其网站通过控制界面使用鼠 标和键盘控制机器人进行物品挖掘工作【8 j 。 1 9 9 5 年，g e o r g eb e k e y 和s t e v eg o l d b e r g 使用六自由度机器人、回转平台与 立体摄像机，开发了“饮水的主妇”，从而使世界各地的学者可以通过浏览器观察 与欣赏博物馆中的艺术珍品【9 1 。 1 9 9 8 年6 月，p u m ap a i n t 联入互联网，任何连入网络的计算机用户都可以通 过网络控制一台p u m a 7 6 0 机器人在画架上作画【1 0 1 。 以上基于互联网远程控制系统虽然实现了远程控制，以及通过w e b 以图像 的形式观察远程被控对象的状态，但是这些应用共同的特点是对实时性要求并不 高。 对于有严格实时性要求的应用，因为基于互联网远程控制系统的前向通道和 反馈通道均由互联网构成，系统中的本地计算机通过互联网向远端计算机不断地 传送控制信息，同时远端计算机通过互联网向本地计算机不断地传送被控对象的 采样信息，以便与输入信息进行比较，再发出控制信息。前向通道与反馈通道都 存在网络时延，如何设计网络控制算法，有效补偿网络时延，保证良好的实时性 广东工业大学工学硕士学位论文 是基于互联网远程控制的一个难题【l 叭。 例如，要对远程机械的运动进行实时控制，为了实时得到机械运动的变化 情况，就必须对机械运动量进行高频率的采样，实时进行传递。此时产生的机械 运动信息量虽然不大，但频率很高。采样周期若为1 0 r e s ，作为反馈信息的机械运 动位置信号的大小可用4 个字节来描述，但是每秒钟需要采样1 0 0 个位置信息， 并且要通过互联网发送到控制器端，显得有些困难。所以，基于互联网远程控制 系统建模、系统的分析和设计是对传统自动控制技术的一种挑战【l 2 1 。 1 4 论文的研究内容、论文结构 基于互联网远程控制系统涉及诸多问题，如前面1 2 节提及的网络诱导时延、 数据包丢失、数据包时序错乱、单包传输或者多包传输和网络调度等等，这些都 是影响系统的动态性能和稳定性的因素。但本文重点针对基于互联网远程控制的 时延问题，分析网络延时，研究控制策略并做了实验和仿真。为了方便研究，结 合实际情况，有必要先作一些必要的假设【1 3 l ，缩小研究范围： 假设1 ：不考虑数据在传输过程中可能出现的数据包丢失。 假设2 ：传感器和控制器的数据均采用单包传输，这样也就不存在数据包时 序错乱问题。 假设3 ：不考虑网络调度问题。 论文章节结构如下： 第一章介绍远程控制的发展及意义，基于互联网远程控制的基本问题。 第二章对基于互联网远程控制时延问题，分析了时延的组成、时钟同步、时 延实时测量方法。 第三章研究了s m i t h 预估补偿原理，并考虑到基于互联网远程控制系统中前 向通道和反馈通道都存在不确定时延，提出了基于在线时延预测的前向通道与反 馈通道时延全补偿控制算法，并进行实验仿真。 第四章阐述了基于互联网远程扳手劲控制系统结构设计、硬件选型、功能原 理和网络配置。 第五章建立基于互联网远程扳手劲系统数学模型，将前向通道与反馈通道时 延全补偿控制算法应用到此实验平台中。利用t r u e t i m e 工具箱设计了基于互联网 远程扳手劲控制系统仿真平台，并进行实验仿真，对仿真结果进行了分析与总结。 6 第二章基于互联网远程控制系统的时延分析 第二章基于互联网远程控制系统的时延分析 基于互联网远程控制系统中，互联网是控制器与被控对象之间数据交换的通 道。基于互联网远程控制虽然便捷、灵活经济、开放性好，但是存在一些问题： 网络诱导时延、数据包丢失、数据包时序错乱、单包传输或多包传输、网络调度 等等。远程控制面临的最大问题就是控制器和被控对象之间存在不确定时延。它 不仅影响了控制系统的实时性，还可能破坏系统的稳定性。在控制器和被控对象 之间的连接通路上的各计算机的吞吐量、数据包调度及路由策略不尽相同。数据 包从发送端到目的端，要经过很多计算机节点，它们控制来自不同数据源的数据， 每个节点对到达的数据包排队，并根据路由策略决定它们的去向，使之更接近目 标节点。如果此节点负载过大，则可能抛弃一些数据包或将它们路由到负载较低 的服务器上【j 4 】。数据包丢失对系统的影响很大，如果采用t c p 协议可保证数据包 不发生丢失，但在网络阻塞时表现为时延的成倍增长。因此，可将数据包的丢失 问题看作时延问题来处理。 2 1 时延组成 基于互联网的远程控制系统时延t 是指控制器和执行器之间的端到端的时 延，由3 部分组成1 ：源端处理时延乙，网络时延瓦“和目的端处理时延死。 2 1 1 源端处理时延 源端处理时延乙由数据采集、数据打包、以及把数据包放到物理线路之前在 队列中的等待时间所构成。受端点设备软硬件性能的影响，一般情况下，时延是 稳定的，且相对于整个时延t 来说可以忽略。 2 1 2 网络时延 网络时延l 甜包括：物理线路的传播时延t p r o p 、队列时延乙、路由器的处理时 延和输出队列时延。 乙唧指物理线路传输1 b i t 信息所需要的时间，由电磁波通过物理线路的传 7 广东 业大学工学硕士学位论文 输时间决定，l b i t 数据的为5 9 s k m 。 疋是指数据包在路由器的输入队列中等待的时间，从数据包进入路由器到路 由器开始处理该包的时间间隔，它与路由器的队列管理机制、拥塞管理算法等有 关。 k 是指路由器从队列中读取数据包后，查路由表并转发到输出队列的时 间；它与包的大小、路由算法、链路状态、处理器的速度等硬件相关，相对整个 时延可以忽略。 乙是指从数据包进入路由器的输出队列到数据包的最后l b i t 数据离开该输 出队列的时间间隔。路由器有多种支持不同传输速率的端口，每种端口对应不同 的输出队列，端口及链路速度决定了乙，同时乙还受链路上流量的影响。 由于链路状况比较复杂、所经路由器数目不确定，所以l 甜大小不确定。设从 源端主机到目的端主机要经过n 个中间路由器，则网络时延瓦“为： 2 1 3 目的端处理时延 乙= ( + r q + + ) ( 2 1 ) i = 1 数据包到达目的主机后，目的主机解析数据包并恢复原始数据格式、然后把 数据提交给应用层。这个过程的时延称为目的端处理时延死，它受端点设备软硬 件性能的影响，相对稳定。 综上所述，可以将基于t c p i p 协议的网络时延乙表示为： 一 = 乃+ ( 乙唧+ 乃+ 乙。+ ) + 乃 ( 2 2 ) i = l 2 2 时钟同步问题 获得网络实时时延，有两种方法：一是在i p 协议层，通过i c m p 时间戳请求 来获得毫秒级的网络时延，由p i n g 命令实现，该方法基于i p 层协议实现，不受 网络拥塞控制，不能真实反映t c p 包的传递时间。二是通过t c p 包携带发送时 间戳，利用接受时间和发送时间的差来获取网络时延，但前提是主从端时间同步。 在实际的测量过程中，主从端时钟可以采用网络时间协议( n e t w o r kt i m e 8 第二章基于互联网远程控制系统的时延分析 p r o t o c o l ，n t p ) 进行同步。n t p 协议是将客户端时间同步到服务器或参考时钟源 的互联网标准协议，目的是在无序的互联网环境中传递统一、标准的时间1 1 6 1 。 假设网络前向和后向时延相等，网络时间协议( n e t w o r kt i m ep r o t o c o l ，n t p ) 原理如图2 1 所示： c 21 s e r v e r 7 口 彩 c l i e n t ， 图2 - 1n t p 时钟i 司步原理 f i g 2 1n t pt i m es y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l e 图2 - 1 中互：、疋。和t ：、互。分别表示客户端和授时服务器本地时间，岔和出 分别为网络前向数据传输时间和后向传输时间，设时间偏移量为9 ，则有： 乏三乏拦 亿3 ， z l = 瓦1 + 目一馘 ”一7 假设a t = a t ，则可解得： 口= 坠等等丑 ( 2 4 ) 2 可以看出，在假设成立的前提下，p 和，都只与( 1 ：一z ：) 和( i 。一乏。) 有关，而 与( i ：一i ，) 无关，即与授时服务器处理时间无关，据此客户端可以根据计算得到 的时间偏移量9 去调整本地时间。 举例说明： 9 广东工业大学t 学硕士学位论文 图2 2 时钟同步实例 f i g 2 - 2t i m es y n c h r o n i z a t i o ne x a m p l e 图2 2 中，客户端和授时服务器通过互联网相连，有各自的时钟，要实现时 钟同步，作如下假设： 在客户端和授时服务器的系统时钟同步之前，客户端的时钟设定为1 0 ：0 0 ：0 0 a m ，授时服务器的时钟设定为1 1 ：0 0 ：0 0a m 。客户端将使自己的时钟与授时服务器 的时钟同步。数据包在客户端和授时服务器之间单向传输所需要的时间为1 秒。 系统时钟同步的工作过程如下： 客户端发送一个n t p 消息包给授时服务器，该消息包带有它离开客户端时的 时间戳，该时间戳为1 0 ：0 0 ：0 0a m ( t 1 ) 。 当此n t p 消息包到达授时服务器时，授时服务器加上自己的时间戳，该时间 戳为1 1 ：0 0 ：0 1a m ( t 2 ) 。 当此n t p 消息包离开授时服务器时，授时服务器再加上自己的时间戳，该时 间戳为1 1 ：0 0 ：0 2a m ( t 3 ) 。 当客户端接收到该响应消息包时，加上一个新的时间戳，该时间戳为1 0 ：0 0 ：0 3 a m ( t 4 ) 。 至此，客户端已经拥有足够的信息来计算两个重要的参数： l o 第二章基于互联网远程控制系统的时延分析 n t p 消息在网络中来回一个周期的时延： 出= ( f 4 一t 1 ) 一( r 3 一t 2 ) ( 2 5 ) 客户端相对授时服务器的时间差： 护：坠型掣 ( 2 6 ) n t p 采用一种收敛算法，客户机保存从时间服务器最新的n 个( 址，值，从 中选择秒值最小的( 出，口) 值，取对应的p 值作为本次处理的时钟偏差值。循环操 作，直到p 满足设定的要求。 2 3 时延实时测量 运行w i n d o w s 操作系统的p i n g 程序，由本地主机向目标主机定时发送i c m p 的e c h o ( 类型0 8 ) 回应请求报文【1 7 】。当目标主机收到该报文后，会马上返回一个 e c h or e p l y ( 类型o o ) 回应应答报文，这样本地主机收到反馈报文后就可以计算当 时网络传输时延。这种方式计算得到的时延属于数据网络传输往返时延。 广东工业大学r o c k w e l l 实验室两台计算机，i p 地址分别是2 2 2 2 0 0 1 0 5 1 5 1 和2 2 2 2 0 0 1 0 5 1 5 l ，在其中一台计算机上运行p i n g 程序，每3 分钟记录一次数据， 从2 0 0 8 年3 月2 5 日晚上7 点到第二天早上9 点共1 4 小时，2 8 0 个时延数据，如 图2 3 所示： 互联网时延测量 实测时延 o 7 5 7 6 5 6 5 5 -i1 量l r o o 一一_ - 一 l l 从 i l j 山lif 讥 帆 ，l 一 ，l 亡 1 i i il i i ij i i i i i i i i i i i i l i i l m | | i ii l i i ! i i | | n i i i i i i i i i ii ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii ii i i i i i i i i i i i i i l i i i i i i i i i i ii i i l i i i i i i i i i i ii i ii i i i i i i l i l i i i ii i ii ii n i i i li l i i i i i ii i i i l i i i i li i i i i i i l il i i i i i i i i i l i i i f ii i i i l ii i i l i i i ii ii i i i i i f i 1 1 i l i u 15 09 9 1 4 81 9 72 4 6 广东工业大学1 = 学硕士学位论文 大部分时间网络时延变化不大，只有在网络传输高峰期，时延波动比较大，如前 面的2 0 6 0 区间的数据，明显网络平均时延增大了3 0 ，对应的测试时间大约为 晚上7 点到9 点，正是网络最繁忙的时候。 由实验可知网络时延是随机的，有时甚至是无界的，因此网络控制系统是随 机时变时延系统【1 8 l 。 1 2 第三章基于互联网远程控制系统时延补偿策略 第三章基于互联网远程控制系统时延补偿策略 3 1 基于互联网远程控制系统时延影响分析 将图1 2 所示的基于互联网远程控制系统原理图画为控制框图，如图3 1 所 示u 9 1 ，q 为控制器传递函数，q 被控对象传递函数。 图3 - 1n c s 控制框图 f i g 3 1n c sc o n t r o ld i a g r a m 图中f 鲇、f 表示传感器至控制器、控制器至执行器之间的网络诱导时延。 为了方便分析，并将两类延时进行合并。 定义： f = f 船+ f ( 3 1 ) 为了说明引入互联网后对控制系统性能的影响，下面根据图3 1 在s i m u l i n k 环境下搭建一个具有双向传输时延的控制系统仿真平台f 1 9 】，通过实例仿真来验证 网络传输时延的影响。 图3 2 网络仿真平台 f i g 3 - 2n e t w o r k e ds i m u l i n kp l a t f o r m 建立如图3 2 的仿真系统。被控对象传递函数是伺服电机数学模型，是一个2 阶系统，传递函数为： 广东t 业大学工学硕士学位论文 q ( s ) = 再面4 8 丽0 0 0 0 ( 3 2 ) e 采用普通p i d 控制器，k p = 3 1 ，k i = 1 2 ，k a = 0 3 。 当f ：f 卵+ f “为定值时，可得到图3 3 的仿真结果，图3 - 3 中各曲线对应的不 同时延组合为： 时延组合1 ：f = r ”+ f 。= 0 m s ，l - s c = 0 m s ，f “= 0 m s ； 时延组合2 ：f = f ”+ f = s m s ，, s c - l m s ，f = 4 m s ； 时延组合3 ：f = f 笳+ f = 5 m s ， f ”= 4 m s ， f = l m s ； 图3 3 仿真结果1 f i g 3 - 3r e s u l t1o fs i m u l i n k 由图3 3 可以看出，当总时延f = s m s 定值时，f 越大，系统响应速度越快， 控制性能越好，但系统都呈衰减振荡。 当l - s c = s m s 定值时，改变f 时延，得到仿真结果如图3 4 ，图中各曲线对应的 不同时延组合为： 时延组合1 ：f = f ”+ f - - 9 2 m s ，t s c - - 5 m s ，f 埘= 4 2 m s ； 时延组合2 ： f = f 卵+ f 翻= 9 5 m s ，f 卵= 5 m s ，f = 4 5 m s ： 时延组合3 ：f = f 韶+ f - - 9 8 m s ，f s c = 5 m s ，f = 4 8 m s ； 1 4 第三章基于互联网远程控制系统时延补偿策略 图3 - 4 仿真结果2 f i g 3 - 4r e s u l t2o fs i m u l i n k 由图3 - 4 可以看出，当r = 9 8 m s 时，系统超调量越来越大，系统是发散的； 当f = 9 5 m s 时，系统响应近似为等幅振荡；当f = 9 2 m s 时，系统是衰减振荡，但 过渡过程很长【2 1 1 。 由有以上两个仿真可以知道，f ”与r 埘在系统时延中所占的比例不同，系统的 响应特性也有所不同，但决定系统稳定性的是系统的总时延f ，随着f 的增大， 系统超调量增大，过渡时间延长，最终导致系统发散。 3 2 基于互联网远程控制系统时延补偿 3 2 1s m i t h 预估补偿原理 为了考察s m i t h 预估补偿系统的工作原理【2 2 1 ，我们从一般的反馈控制系统着手 讨论，如图3 5 所示。 图3 5 一般的反馈系统 f i g 3 5c o m m o nf e e d b a c ks y s t e m g o ( s ) p 唧为过程控制通道特性，其中g o ( s ) 为过程不包含纯滞后部分控制对象 的传递函数，q ( s ) 此时为控制器的传递函数，则图3 - 5 所示的单回路系统闭环传 递函数为： 广东工业大学工学硕士学位论文 祟：墨蝶熊 (33)r ( s ) 1 + 瓯( s ) g d ( 5 ) p 1 5 、 7 系统特征方程为： 1 + e ( s ) g o ( s ) p 1 。= 0 在公式( 3 3 ) 的特征方程式中，由于包含了e 1 一项，使得闭环系统的品质大大 恶化。若能将g d ( s ) 与e 一叩分开并以g o ( s ) 为过程控制通道的传递函数，以g d ( 占) 的 输出信号作为反馈信号，则可以大改善控制品质。但是实际工业过程中q ( s ) 与 p 唧是不可分割的【2 ”。s m i t h 提出采用等效补偿的方法来实现。图3 6 为s m i t h 预估 补偿控制的原理图。 图3 6s m i t h 预估补偿控制的原理图 f i g 3 6s m i t hc o m p e n s a t i o ns c h e m a t i cd i a g r a m 根据图3 6 ，我们可以得出，引入预估补偿装置后，输出对给定值的闭环传 递函数为： g c ( s ) g o ( s ) p 1 5 器r ( s = 拦器g o= 嵩器p 叫制p 唧 债4 ， 一= _ 二：一= = i 一p = l t | ic - p f 4 i ) ，。q ( j ) ( s ) p 1 。1 + g c ( s ) g d ( s ) 小7 、 l + q ( s ) g o ( s ) ( 1 - e 1 5 ) 由公式( 3 4 ) 可见，经预估补偿，其特征方程中已消去了p 邓项，即消除了纯 滞后对系统控制品质的不利影响t 2 4 1 。至于分子中的p - r 5 仅仅将系统控制过程曲线 在时间轴上推迟一个死，所以预估补偿完全补偿了纯滞后对过程的不利影响，系 统控制品质与被控过程无滞后时完全相同。 下面我们对含有前向通道补偿器的控制系统进行单位阶跃响应仿真，假设时 延补偿器的时延与网络时延相等。 q 采用普通p i d 调节器，k p = 3 1 ，k i = 1 2 ，k d = 0 3 ，被控对象传递函数为： 1 6 第三章基于互联网远程控制系统时延补偿策略 g o ( j ) = 万而4 8 面0 0 0 丽0 石 ( 3 5 ) 下面根据s m i t h 预估补偿原理，对图3 - 6 所示控制结构图进行仿真，仿真平 台如图3 7 所示，假设，前向通道延时和补偿延时都为1s ，系统仿真结果如图3 - 8 所示，根据系统响应结构，证实了s m i t h 预估补偿的有效性，抵消了纯滞后对系 统控制品质的不利影响，仅仅使过程响应曲线在时间轴上推迟一个r l = l s 。 图3 7s m i t h + p i d 控制仿真平台 f i g 3 7s i m u l a t i o np l a t f o r mo fs m i t h + p i dc o n t r o l 图3 8s m i t h + p i d 控制仿真结果 f i g 3 - 8s i m u l a t i o nr e s u l to fs m i t h + p i dc o n t r o l 3 2 2 反馈通道时延补偿 在系统反馈通道引入网络环节后，系统结构框图如图3 9 所示。 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 图3 9 具有反馈时延的系统结构框图 f i g 3 9s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a mw i t hf e e d b a c kd e l a y 此时系统闭环传递函数为： q ( s ) = 雨g 丽a s ) 丽g o ( s 万) ( 3 6 ) 系统特征方程为： 1 + q ( s ) g d ( s ) e 1 5 = 0 ( 3 7 ) 由于在反馈通道引入了互联网，反馈信息在传输上存在一个时变的不确定时 延矗，导致系统特征极点在相平面向右偏移，导致系统偏向不稳定，甚至系统发 散不可控【2 5 1 。可见，反馈通道存在时延，会影响系统的控制品质。因此，可以在 前向通道增a n - 个补偿器g ，( s ) ，如图3 - 1 0 ，使系统在补偿后的闭环传递函数等 价于系统反馈没有接入互联网时的传递函数，保证系统的响应与原系统一样。 图3 1 0 具有反馈补偿器的系统结构框图 f i g 3 - 10s y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a mw i t hf e e d b a c kc o m p e n s a t i o n 此时系统闭环传递函数为： g 荆：里, , c ! k o ：! l g , , ,