第一章 緒論
1.1 研究動機與目的
近年來將運算、通訊和控制單元，透過網路作整合，以方便系統的建立與管 理，進而提高系統的整合度與便利性，乃是控制系統的一大趨勢。也因為網路化 的日益普及化，各種應用於不同領域的網路協定也因應而生，常見於工業應用的 協定如：WorldFIP、Profibus、SERCOS、CAN 等；其他如 Ethernet、無線網路或 是感測器網路 Zigbee 等協定，也廣泛使用於各種應用上，特別是無線網路已是 未來網路通訊的發展重點。
利用網路做為運算、通訊和控制單元的媒介，可以在遙遠的距離內控制與監 控特定的系統，如果使用無線網路，更可以節省佈線的複雜度與成本，且具有高 機動性，所以網路控制系統具有節省配線、系統擴充性增加、減少安裝和維護成 本、方便監控等優點。但也有許多所要面臨的問題，首先便是網路傳輸所帶來的 影響(time delay)、網路引起的訊息傳遞延遲與訊息遺失(data dropout)、訊息排程、
節點間的時脈不同步。這些種種問題，任何一個均可能讓控制效能降低，甚至讓 受控體變成不可控的狀況，如何去克服網路傳輸所引起的問題並且發揮遠端網路 控制的優點，變成為研究的重點之一。
為了研究這些問題對網路控制系統的影響，本研究以時間觸發(time trigger) 作為網路封包傳輸依據，建立以 Zigbee 無線網路為通訊方式的網路控制系統，
針對馬達作位置控制實驗，分析探討網路層面對控制系統效能的影響。根據模擬 與實驗結果，資料遺失與時間延遲的存在會導致控制效能低落甚至造成系統不穩 定，因此本研究特別針對這兩方面提出了的解決辦法，並且結合控制器提出了 model-free 的控制架構，建立一套完善且可靠的網路控制系統。
1.2 研究背景與發展概況
隨著網路的蓬勃發展，加上近年來最熱門的領域-無線網路的研究，讓許多
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學者與研究人員紛紛投入網路通訊這領域，讓網路概念的延伸與應用處處可見，
更可以將網路的概念應用在控制理論上，因此網路控制系統的想法便因應而生，
而針對網路控制系統所相關的研究課題與問題也紛紛提出[1]。一般網路控制系 統，雖然有網路化的優點，但往往需要犧牲一點控制效能，以下針對一些足以影 響控制系統效能的問題，整理後可歸類成下列幾項：
網路傳輸所造成的延遲(time delay)
一般的理想控制系統，訊號在傳輸時，其傳輸時所花費的時間極小，通常可 以忽略不計，但當控制系統利用網路做為傳輸介面時，由於網路先天上的頻寬限 制與網路通訊協定限制下，造成訊號有一段不可忽略的傳輸延遲時間[2,3]。所以 在系統的等效模型中，需加入一個時間延遲項，而此時間延遲會造成系統的 phase margin 下降，導致系統不穩定，現在在此方面，已有相關理論解決延遲時間對系 統造成的不良影響[4,5]。
網路引起的訊息遺失(data dropout)
網路在傳輸的過程中，有可能會發生封包遺失的情形，一般來說，大部分的 網路通訊協定都有防止與解決封包遺失的機制，通常是避免資料封包碰撞 (collision)以及封包遺失後等候節點再一次重傳，資料封包的遺失，會造成控制 系統的命令遺失，等候節點再一次重傳的時間會增加延遲時間，有人提出使用泰 勒展開法來估測遺失的命令，使得系統不會因為命令遺失而造成系統控制效果不 佳[6]。
訊息排程(network scheduling)
在網路排程方面，有人提出 adjustable priority scheme 的排程方法[7,8]，藉 由累積 CAN 網路上訊息一段時間的傳輸狀況後，逐漸調整訊息優先權，經由此
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方法改變網路的排成可以有效的提昇網路傳輸的效率。
節點間的時脈不同步(jitter)
在系統取樣週期較小的架構下，時脈漂移造成節點間的時脈不同步，將導致 大量的系統資料遺失量，由此可知，時脈同步對於網路系統是不可忽略的因素。
關於網路時脈同步的方式，可由系統架構、網路協定等層面解決[9]，以系統架 構來說，可利用額外的硬體接線作為同步線路，以此作為節點執行的基準；在網 路協定層面，以 CAN bus 為例，透過同步物件的傳送，提供整體網路的基準時 脈。這兩類作法各有其優缺點，前者為獨立於原本網路架構之外的作法，可免除 網路傳輸的干擾，且經由硬體線路可達到極高的準確度，但正因為是獨立於網路 之外，所以必須在系統建構時加以考量，若要應用於已建立的系統之上，就必須 重新規劃系統架構；後者則是基於原先的網路協定所衍生的方式，主要優勢在於 可經由軟體規範達成而不需改變系統架構，所以，實做上的可行性較高且提高系 統維護的便利性，但由於是透過網路封包傳遞的方式，傳輸狀況的影響就無法忽 略，傳輸速率、延遲時間和封包碰撞等等因素，都可能影響其效果而必須納入考 量，以 CAN bus 為例，由於封包碰撞可由 CAN 的重傳機制避免，而將主要考 量放在傳輸延遲上，因此，賦予同步物件極高的網路優先權，降低傳輸的等待時 間，便於同步物件順利傳送，以達到較好的同步效果[10]。
取樣週期(sampling period)
在數位控制系統下，控制效能會隨著取樣週期變小而變好，但將網路加入控 制系統當中，取樣週期則不可以小於某個極限值，如果小於該極限值，反而控制 效能會下降[11]，主要原因是因為當取樣週期變小的情況下，所要傳輸的資料量 變多，而當網路的頻寬不足以傳輸這些資料量時，便會造成網路塞車、負載量增 大，所需要傳輸的資料，必須等待網路允許通過，方可傳輸，造成傳輸時間延遲，
甚至資料損失，導致控制效能下降。有人提出利用動態調整取樣頻率的方法
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[12,13]，當網路負載大時，取樣週期下降，減少傳輸資料量，有人提出以動態調 整取樣頻率為基礎，其適應性控制器的設計[14]。
QoS(quality of service)[15]
此因素會直接影響到網路控制系統的控制效能，其特性主要受訊息傳輸延遲 時間、訊息遺失率、訊息來源的正確性所影響，並非一個可量化的參數。
1.3 問題描述
綜合上述各種網路影響控制系統效能的因素，本研究將針對以下三個重點問 題作討論
1. 在網路控制系統中，當網路傳輸延遲超過系統取樣週期時，會導致網 路資料封包遺失，系統相位落後以及系統不穩定等情形。
2. 資料封包的遺失，造成系統控制命令的遺失，系統沒有收到命令，導 致空白取樣，使得控制效能下降。
3. 網路控制系統中控制器的設計，資料遺失與時間延遲的補償方法，一 般皆為 model-based 的設計，而無法廣泛應用於不同的網路系中。
1.4 研究方法
1. 在處理網路時間延遲的方面，以 perfect delay compensation (PDC)將網 路延遲時間對系統的影響化為單純的時間延遲，避免系統因網路延 遲影響而導致系統響應發散。
2. 在改善資料封包遺失造成控制命令遺失方面，使用 intelligent message estimator (IME)以及時量測的封包遺失機率配合不同的最小平方估測 器補償當前遺失的資料。
3. 對於 IME 可能造成系統不穩定的方面使用 data-based predictive controller (DPC)，透過移動時域控制，即時計算最佳的控制訊號，並 以此 控制訊號作為 IME 補償切換機制的指標。
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4. 提出 IME+DPC+PDC 的架構，同時解決網路資料遺失與時間延遲對 系統產生的影響。
1.5 論文架構
本論文共分七章，第一章旨在說明研究動機與目的、研究背景與發展概況回 顧、敘述所面臨的相關問題、本論文的研究方法、以及論文架構。第二章先對 CAN、Zigbee 與 Ethernet 等網路通訊協定加以說明，之後介紹擬真的網路模擬環 境 Truetime 以及實驗設備平台。第三章介紹時間延遲的影響，然後以完全延遲 補償架構(PDC)解決網路延遲對系統的影響。第四章介紹網路資料遺失的問題，
資料遺失的分布與網路訊息的狀態，以及訊息估測器的說明而最後以智慧型訊息 估測器(IME)解決資料遺失所帶來的問題。第五章介紹資料預測控制器(DPC)，
實現 DPC 並將之應用於網路控制系統中，以及結合 IME 達到自動調整資料遺失 補償方法。第六章討論網路控制系統中資料遺失與時間延遲同時發生的情形，提 出以 DPC 結合 IME 與 PDC 的補償架構，並以實驗和模擬的方式驗證其可行性。
第七章則為本論文的結論以及未來的發展方向。
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