路系統的影響，並於第五章應用於 Smith predictor 消除時間延遲對系統的不良 影響。
4-2 網路延遲時間(delay time)探討
圖 4.1 為一般網路控制方塊圖，在控制端與授控端之間的命令和回授訊號 的傳輸是透過各種網路來傳輸，由網路來當作傳輸媒介就會產生延遲時間(delay time)。網路控制所產生的時間延遲分成兩類，一種為命令延遲時間(command time delay)是由控制端將命令傳到授控端的所產生的延遲時間，另外一種則是回 授延遲時間( feedback time delay) ，回授延遲時間是指授控端將感測器的資料傳 回控制端所產生的延遲時間[2]。
圖4.1 網路控制系統方塊圖
延遲時間若小於系統的取樣週期，則我們可以將延遲時間忽略掉，但是延 當遲時間大於取樣週期，此時延遲時間對整個控制系統的影響，輕則會降低系 統的效能，嚴重則會造成整個控制系統的不穩定。圖4.2 和圖 4.3 分別為實際的 網路控制系統在取樣頻率為5 ms 時的響應圖，兩張圖中虛線部份是不經過網路 控制的系統跑來的響應，實線部份則是經過網路來做控制的響應圖，圖 4.2 的
延遲時間為106.968 ms 此時響應圖跟未受網路控制做比較，可以看出因延遲時 間造成的系統震盪，若我們再將時間延遲加大到255.196 ms，整個網路控制系 統已經發散不受控制。
圖4.2 延遲時間對系統影響圖(delay time = 106.968 ms)
圖4.3 延遲時間對系統影響圖(delay time = 255.196 ms)
由上面兩張圖可以看出，在網路控制系統若不將延遲時間做妥善處理，則 可能對我們系統造成無法控制和降低效能。
4-3 網路延遲時間測定實驗
4-3-1 網路延遲時間量測方法
在做 Smith predictor 實驗之前，我們必須先取得網路上面的延遲時間，我 們這邊說的網路延遲時間是指圖4.4 中 T1+T2 的總和，T1 就是 4-2 節所提到的 命令延遲時間，T2 為回授延遲時間。其中 T1 和 T2 延遲時間為每個節點的應用 層到另外一邊應用層加起來的總和，而不是單純指硬體層對硬體層之間的傳輸 時間[6]，如圖 4.5。
圖4.4 網路系統延遲時間示意圖
圖4.5 延遲時間計算
量測延遲時間的方法是由DSP 端固定一段時間傳送帶有 Index 的資料封包 經由 Gateway 傳送到 Client 端，這裡 Index 指的是該封包的編號，封包傳送出
去前會記錄封包發送的起始時間，當 Client 端接收封包之後，立刻將封包原封
(b) 當延遲時間量測完成之後會顯示在此，或者是設定 Smith Predictor 裡面的延 遲時間。單位為ms
(c) 測試的次數
(d) 設定想要增加多少系統的延遲時間 (e) 連結 Server 按鈕
(f) 開始量測延遲時間
圖4.6 量測延遲時間人機介面
4-3-3 網路控制系統的延遲時間
本次實驗是在 30 秒內固定時間傳送固定大小的訊息來量測我們網路控制 系統的平均延遲時間，不同的傳送時間各做五次同樣的實驗。網路傳輸部份，
Server 連接 DSP 是用 CAN 網路。Server 連接 Client 我們分別會使用 Ethernet 和無線網路，傳輸協定是使用 TCP/IP，Ethernet 傳輸速度為 100Mbps，Client 和Server 之間透過一個 HUB 相連接。無線部份為 IEEE 802.11b，傳輸速率為 11Mbps，連結模式採用 ad-hoc 點對點的傳輸模式。
表4-1 為使用有線網路 Ethernet 加上 CAN 網路在不同傳送頻率下所量測的 平均延遲時間，由此表可以看出，在不同傳輸頻率下，平均的延遲時間也跟著 不同，在傳輸頻率較低的時候，延遲時間較小平均值大約在2~3 ms 之間，當網
路傳送頻率變高的時候，延遲時間也跟著變大。若由同樣傳送頻率來看，此時 平均延遲時間其實是差不多的，顯示還沒有到達頻寬限制的時候，在同樣傳送 頻率的傳輸之下有相同的平均延遲時間，圖 4.7 為不同頻率下的時間分佈，傳 送頻率高的時候延遲時間的變異較大，但還在一定範圍內，傳送頻率低的時候，
變異較小，偶爾會有比較大的延遲時間可能是因為跟其他電腦的網路封包產生 碰撞，使得延遲時間變大的關係
表 4-1 Ethernet＋CAN 的平均延遲時間 （單位：ms）
實驗群組 No.
傳送時間間隔T 1 2 3 4 5
300 ms 2.707071 2.909091 2.757576 2.676768 2.626262 200 ms 2.966443 2.664428 2.610738 2.577181 2.409396 50 ms 2.560935 2.707846 2.679466 2.681135 2.961603 20 ms 2.731154 2.945964 2.72515 2.586391 2.639093
5 ms 7.380276 7.477095 7.411882 7.353271 7.35307 3 ms 7.465493 7.469894 7.291658 7.682536 7.35307 2 ms 6.58016 6.871774 6.741745 6.579316 6.607121 1 ms 8.653331 8.464092 8.388078 8.35447 8.90958
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
圖4.7 Ethernet + CAN 之延遲時間量測 (a) T=1ms (b) T=2ms (c) T=3ms (d) T=5ms (e) T=20ms (f) T=50ms (g) T = 200ms (h) T = 300ms
表4-2 為 IEEE 802.11b 無線網路加上 CAN 網路所量測到的平均延遲時間，由此
表格我們會發現，量測出來的結果跟有線網路的現象比起來有很大的差別，在 同一傳送時間間隔下平均延遲時間不再近似，且在不同傳送頻率下不再是較低 的傳送頻率擁有較短的延遲時間，量測出來的延遲時間呈現不規則分佈，會造 成這種現象的發生是因為使用無線網路的關係，由圖 4.8 可以發現某些時刻，
延遲時間會異常增加，造成此問題的原因是無線網路容易受到環境干擾造成封 包的遺失，但是我們是使用TCP/IP 的傳輸協定，此傳輸協定為一連線型的傳輸 協定，當有訊息沒有傳到目的地時，系統會自動重傳遺失的封包，在封包遺失 到重傳的過程當中會造成延遲時間大量的增加，這些大量增加的延遲時間便會 對平均延遲時間造成影響，但是這些大量增加的延遲時間對所有傳輸來說只佔 少部份，所以我們在估測平均延遲時間時，可以忽略掉這些大量增加的延遲時 間來計算平均延遲時間。
表 4-2 802.11 + CAN 的平均延遲時間(處理前) (單位：ms) 實驗群組 No.
傳送時間間隔 T 1 2 3 4 5
300 ms 27.8889 37.9697 39.41414 6.2222 6.40404 200 ms 34.40367 35.76313 45.828 34.1893 52.53128
50 ms 7.3050 7.3533 6.1167 6.0900 6.0483 20 ms 15.9173 20.1453 7.2667 14.9700 7.1947
5 ms 28.93519 29.58452 24.93579 25.97939 27.5125 3 ms 22.06001 20.93599 21.19504 20.95439 23.4943 2 ms 19.0274 13.5275 19.78836 22.73075 24.60612 1 ms 40.06301 17.61272 17.67153 16.95779 17.27065
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
圖4.8 802.11 + CAN 之延遲時間量測 (處理前) (a) T = 1ms (b) T = 2ms (c) T = 3ms (d) T = 5ms (e) T = 20ms (f) T = 50ms (g) T = 200ms (h) T = 300ms
表4-2 是將表 4-3 各平均延遲時間對應的資料中延遲時間大於 100ms 的資 料去除後所求得的平均值，在處理過後的資料我們可以發現，現在資料跟使用 有線網路所量測到的延遲時間情況差不多，在傳送頻率較低的時候，延遲時間 也較小約在6~8ms 左右，傳送頻率高時，延遲時間也跟著上升。若由同頻率來 看，在同樣頻率情況下，有差不多的平均延遲時間，藉由將過大的延遲時間替 除掉，來還原原本網路時間延遲的狀況，有無此處理，也會對我們後面的Smith predictor 帶來影響，此方法使用時機是當過大的延遲時間佔正常延遲時間的一 小部份時才可以使用，圖4.9 為處理過後的延遲時間分佈圖。
表 4-3 802.11 + CAN 的平均延遲時間(處理後) (單位：ms) 實驗群組 No.
傳送時間間隔 T 1 2 3 4 5
300 ms 6.1667 6.8587 7.0879 6.2143 6.482 200 ms 6.0362 5.9225 6.0154 5.9489 5.9262
50 ms 7.3050 7.3533 6.1167 6.0900 6.0483 20 ms 7.6044 7.5303 7.261 7.6501 7.1947
5 ms 11.2694 10.9093 10.6374 10.8904 11.3131 3 ms 13.2678 13.135 13.3383 13.2172 13.2845 2 ms 13.7171 13.4912 13.8011 13.901 13.8893 1 ms 17.6999 17.1248 17.3583 16.921 17.235
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
圖4.9 802.11 + CAN 之延遲時間量測(處理後) (a) T = 1ms (b) T = 2ms (c) T = 3ms (d) T = 5ms (e) T = 20ms (f) T = 50ms (g) T = 200ms (h) T = 300ms
4-3-4 固定延遲時間的產生及量測
由前一節我們可以知道我們建立的網路控制系統的延遲時間，不管是使用 有線網路或是無線網路，所量測的平均延遲時間均在20ms 以下，因為有線網路 的環境下Server 和 Client 之間僅透過一個 hub 來連結，在無線網路的環境下是 使用點對點的方式讓兩台電腦互相連結，除非傳輸量超過網路負載，否則很難 取得較大的延遲時間，但是若故意讓傳輸量高過網路負載，其延遲時間會一直 增加並無法取得一個固定的平均延遲時間如圖4.10，此情況嚴重時會讓整個
圖4.10 超過網路覆載的延遲時間
系統故障停擺，例如CAN 網路具有錯誤處理機制，當傳輸超過覆載，訊息一直 果，此時網路延遲時間為104.4584ms，右邊為 Buffer Size = 10 的結果，其網路 延遲時間為204.1869ms，兩個延遲時間結果和用式子( 4-4 )算出來的結果相近，
因此想要獲取長時間的網路延遲，選用此方法即可達成。
圖4.11 回授端加 Buffer 示意圖
(a) (b)
圖4.12 加 Buffer 後之延遲時間量測(a) Buffer Size = 50, delay time =104.4584ms (b) Buffer Size = 100, delay time = 204.1869 ms
4-3-5 遠距離的網路延遲時間
前面兩個實驗都是在較短距離且干擾較小的環境下做實驗，接下來看看若 Client 和 Server 的距離拉遠，且中間可能會經過其他主機 Server 或是跨網域的 時間延遲情況。此實驗分別由高雄、屏東、交大男七舍連線到交大工五館的 LAB816 實驗室來量測其延遲時間，其中高雄部份有兩個量測地點且有不同的 網路系統，這些實驗都是經過有線網路來傳輸，表 4-4 為在不同傳輸間隔時間 量測實驗結果：
表 4-4 遠距離延遲時間 （單位：ms）
地點
傳送時間間隔 T 高雄1 高雄2 屏東 交大七舍
2ms 281.4133 5123.573 12731.93 6.481896 5ms 175.3095 302.0402 373.1072 7.289458 10ms 153.6207 282.9744 340.3327 2.39748 15ms 148.0080 220.7217 270.7242 2.334467 20ms 142.6101 199.0654 249.5145 2.603921
由表 4-4 很明顯看出訊息的傳送時間間隔對網路延遲時間有很大的影響，
傳送間隔越長延遲時間越短，相反地傳送時間越短延遲時間越長，且可能超過 網路負載，造成延遲時間急遽增加如圖4.13。
圖4.13 高雄 2 傳輸間隔 2ms 的不正常延遲時間
影響長距離的延遲時間，有許多因素，並不是說距離長延遲時間就一定跟 著變長，在傳輸過程經過多少路由器或多少Server 還有末端使用的網路速度，
這些都會對延遲時間產生影響，像由交大七舍連到實驗室，所得到的延遲時間，
其實跟在實驗室量測到的延遲時間是差不多的，這是因為交大校內都是由 100Mbps 的乙太網路所連結，網路傳輸速度跟在實驗室差不多，所以對延遲時 間影響不大，因此單就距離來判斷延遲時間是不準確的，距離跟延遲時間沒有 絕對關係，還要多方考量其他因素才行。
雖然在長距離的傳輸下，只要不超過網路負荷量，在同樣的網路和同樣的 時間間隔傳輸下，其平均的延遲時間是差不多的，但是看時間分佈圖會發現，
其變異量可能會變大許多如圖4.14 所示，圖 4.14 為高雄 1 在不同傳輸間隔所得 到的時間延遲分佈圖。至於變異量變大對使用 Smith predictor 有什麼影響，將 在後面章節再另外討論。
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖4.14 高雄 1 之延遲時間量測，傳送間隔為(a)2ms (b)5ms (c)10ms (d)15ms (e) 20ms
第5章 網路遠端控制系統設計 5-1 Smith predictor
圖5.1 為網路控制系統的控制方塊圖，td為圖4.1 中命令延遲時間和回授延 遲時間的總和。Smith 提出一個控制架構來補償一個具有時間延遲的系統(圖 5.1)，利用此架構來消除時間延遲對系統的不良影響，此架構如圖 5.2 所示，其 中Gc(s)為控制器，Gp(s)為不具時間延遲的系統轉移函數，Gˆ sp( )為估測得到的
圖5.1 網路控制系統的控制方塊圖
圖5.2 Smith predictor 方塊圖
不具時間延遲的系統轉移函數，tp 是系統延遲的時間，tm是估測所得到的系統 延遲時間，由輸入R(s)到Y(s)的轉移函數，可寫成下面的( 4-1 )式：