控制回路通過實時網絡閉環(huán)而成的反饋控制系統(tǒng)稱為網絡控制系統(tǒng)。由于控制回路網絡中信息傳輸時延的存在，使得控制回路系統(tǒng)的實時性非常重要。在系統(tǒng)分析了CAN總線網絡控制系統(tǒng)的時域特性的基礎上，提出了一種基于CAN總線的網絡控制系統(tǒng)設計方案，采用多率采樣和動態(tài)時間窗設計概念，減少了閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)的時延，提高了網絡帶寬利用率。
將通信網絡引人控制系統(tǒng)，連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場設備控制的分布化和網絡化，同時也加強了現(xiàn)場控制和上層管理的聯(lián)系。同時由于網絡中的信息源很多，信息的傳送要分時占用網絡通信線路，而網絡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W絡靈活性和實時性的支持。本文以CAN總線為研究對象，對于網絡閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計提出了兩點改善方案。
一、CAN閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)
隨著控制系統(tǒng)趨于復雜化，對于一個獨立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，受控對象和控制器一般都會分布在網絡的不同部分. 相對于傳統(tǒng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在設計閉環(huán)網絡控制系統(tǒng)（NCS）時，需要考慮一個新的限制：通信網絡的帶寬限制，影響網絡帶寬的性能有四種因素：
1. 采樣速率，各設備按此速率向網絡發(fā)送信息；
2. 需要同步操作的元件數；
3. 信息的數據或報文長度；
4. 控制信息傳輸的協(xié)議。
對于NCS，一般要求滿足兩個主要指標：延時的限定和傳輸的保證，即信息必須在限定的時間內成功地被傳輸。失敗的傳輸或從傳感器到執(zhí)行元器件大量的延時信息將影響系統(tǒng)性能或使之不穩(wěn)定。
下面我們將在對CAN總線控制網絡的時域特性的分析基礎上，提出一些減少網絡時延和提高網絡帶寬利用率的方法。
二、CAN網絡的時域分析
CAN協(xié)議轉為短報文而優(yōu)化，并使用報文優(yōu)先權仲裁介質訪問方法。具有較高優(yōu)先權的報文在仲裁時總能得到介質的訪問權，所以較高優(yōu)先級報文的傳輸延時總可以被保證。與其他網絡相比，CAN的主要缺點在于較低的數據速率。因為CAN網絡為位同步總線。CAN的最大速率為1Mbps，同樣限制了網絡的最大長度。
這里將用研究時域參數的方法描述CAN控制網絡的延時情況。對于圖1的NCS，控制系統(tǒng)的總時延為TdeIay，包括采樣信號從傳感器送出到控制輸出信號到達執(zhí)行器的延遲時間。具體可分為采樣信號在發(fā)送緩沖中的延時TsampdeIayl，采樣信號的傳輸延時Tseddelayl，采樣信號在控制器接收緩沖中的延時TsampdeIay2，控制器的運算延時Tmcu，控制輸出信號在控制器發(fā)送緩沖中的等待時間TcondeIayl，控制信號的傳輸延時TseddeIay2，控制信號在執(zhí)行器的接收隊列中的等待延時TCOndelay2。
總的時間延時可以用一下等式清楚的表達：
Tdelay=TsampdeIayl+TseddeIayl+TsanpdeIay2+Tmcu+ TcOn•deIayl+TseddeIay2+
TcondeIay2 （1）
=（TsampdeIayl+Tsampdelay2+TcondeIayl+Tcondelay2）+（TseddeIayl+Tseddelay2）+Tmcu （2）
隨著DSP等高速器件的應用，Tmcu相對于其他變量可以忽略，故上式可為≈Twalt+Tsend（3）。
這里Twalt看作排隊時間，Tsend看作發(fā)送時間。
對于排隊時間Tsend將取決于網絡協(xié)議，并且是控制網絡確定性的一個主要作用。具體取決于數據長度，引導位，填充和位時間。設Ndala為數據字節(jié)長度，Nhead為引導位字節(jié)長度，Nstu什為填充為字節(jié)數，比特位長度為Tb_l（約為1us），則發(fā)送時間為Tsend=（Ndata+Nhead+Nstuff）8Tb.t（4）。
分析表明：由于信息的發(fā)送時問（Tsend）是由協(xié)議本身決定的。要提高系統(tǒng)的實時性必須減少網絡中信息的等待時間（TWait）。所以我們將從減少網絡的信息量和均衡網絡負載兩方面來提高系統(tǒng)的實時性。
三、多率采樣
在對CAN總線閉環(huán)控制網絡的時延進行分析后，要減少控制系統(tǒng)的時延應該首先盡量減少網絡中的信息傳遞任務，其次，在網絡帶寬一定的前提下，均衡網路負載以提高網絡帶寬的利用率。
對于NCS，由于節(jié)點分散化，不太可能也不太實際將所有的物理信號采用單一的速率進行采樣。通常，采樣器和保持器的采樣時間越短，系統(tǒng)得到的性能就越好。但A/D，D/A轉換器越快，其成本就越高。對于具有不同頻率的信號的系統(tǒng)，既能達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間驅動的A/D，D/A轉換器，盡管這種采樣方式很適合于許多單回路的控制系統(tǒng)，但是對于多率采樣系統(tǒng)來說，采用同步（時間觸發(fā)）的采樣方式常常會出現(xiàn)很多的問題，如網絡帶寬的限制使系統(tǒng)對信號的要求更高，過多的冗余信號將使系統(tǒng)中的延時、空采樣、報文丟失變得更加嚴重，從而使系統(tǒng)的性能惡化。為了處理網絡帶寬的限制以及消除冗余信號對系統(tǒng)性能的負面影響，常常采用同步（時間觸發(fā)）和異步（事件驅動）相結合的采樣方式。
當數字控制系統(tǒng)中各采樣器或保持器以不同的采樣周期進行工作時，就構成了多率采樣控制系統(tǒng)。根據多率采樣數字控制系統(tǒng)中各個采樣器或保持器是否同步和各采樣周期之間的關系，可以將多率采樣數字控制系統(tǒng)進一步分類。
如果系統(tǒng)的各采樣器，保持器和各微機的計算都在同一的時鐘下同步進行，再根據各采樣周期之間的關系，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，保持器和各微機的計算不在同一的時鐘下同步進行，再根據各采樣周期之間的關系，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)的理論和工程實踐基本局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對于非同步多率采樣數字控制系統(tǒng)的研究比較復雜，通常都是采用隨機的方法來進行分析，假定局限于同步多率采樣控制系統(tǒng)，對于非同步多率采樣數字控制系統(tǒng)的研究比較復雜，通常都是采用隨機的方法來進行分析，假定個采樣器和保持器的采樣時間是一隨機過程，然后利用隨機系統(tǒng)的方法來進行。
四、動態(tài)時間窗
為了均衡網絡的負載提高網絡利用率，結合CAN自身的特點，在一個CAN網絡中，我們可以設定一個具有系統(tǒng)控制功能的節(jié)點，這里可以叫它為主節(jié)點（它區(qū)別于其他節(jié)點的是它的屬性優(yōu)先級最高），其他的叫從節(jié)點。我們設計一個網絡系統(tǒng)，它包括：時間觸發(fā)系統(tǒng)和事件觸發(fā)系統(tǒng)。前者針對的是時間觸發(fā)信息而后者針對的是事件觸發(fā)信息。那么怎樣去區(qū)分這兩者呢?對于時間觸發(fā)信息認為它是相對于自然界是一個同步系統(tǒng)；而事件觸發(fā)信息定義它為相對于自然界是個異步系統(tǒng)。一般情況事件觸發(fā)通信的效率要比時間觸發(fā)效率高，但在考慮到最壞情況時，這種效率是無法估計的。由于事件觸發(fā)相對于自然界是異步的，所以，當所有事件同時發(fā)生時，對它是個最壞情況。為了解決這種問題，往往需要足夠多的資源（例如：通信帶寬）。而對于時間觸發(fā)通信，它往往相對于自然界是個同步過程，它可以在所要完成控制的環(huán)境下，提前決定時隙以控制最大輪回時間。它最重要的一個特點是我們可以根據網絡上不同的信息流傳輸情況進行狀態(tài)相關控制?？梢詫Σ煌男畔⒘髟O置不同的狀態(tài)，以使減少在同一時間等待發(fā)送的信息，這種狀態(tài)相關控制會提高網絡的利用率。
為了能使這兩種系統(tǒng)之間不耦合，我們引入了動態(tài)時間窗（DTW）的概念。在一個DTW中，又包含兩個子窗：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性，而且一般要求及時相應，則在系統(tǒng)時間窗中，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響應事件觸發(fā)消息和防止系統(tǒng)網絡災難。如下為一個STW的結構。
