第一章 第一章 緒論 緒論 緒論 緒論
1-1 研究動機
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。
為了研究這些問題對網路控制系統的影響，本研究針對訊息遺失所造成的 控制效能低落甚至導致系統不穩定的問題，提出以時間觸發(time trigger)作為 網路封包傳輸依據，在針對未能及時接收到的輸出回授訊號作估測補償，藉此 提高控制效能，再以 wireless network 做為控制系統之間的通訊網路，針對馬 達作位置控制實驗，分析探討回授估測對控制系統效能的影響。根據實驗結果，
針對網路流量壅塞所引起的高資料遺失率(data dropout rate)，讓連續遺失資料 封包的筆數遠大於估測器的階數的問題，試圖建立一套可監控網路傳輸量與調 整取樣頻率的架構，避免網路負載過大時，仍有大量資料流入網路，導致資料 遺失率過大，並加以驗證。監控網路傳輸流量的架構可以提升穩定度與容忍網 路環境的穩健性，而良好輸出回授估測，可以提高系統控制效能。
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)[2-6]
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。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 會造成系統的相位象限(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。
網路引起的訊息遺失(data dropout)[7-9]
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[9]，使得系統不會因為命令遺 失而造成系統控制效果不佳。
訊息排程(network scheduling)[10,11]
在網路排程方面，[11]提出 adjustable priority scheme 的排程方法，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 此方法改變網路的排程可以有效的提昇網路傳輸的效率。
節點間的時脈不同步(jitter)[12,13]
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，
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。
取樣週期(sampling period)[14,15]
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，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。[16,17]
提出利用動態調整取樣頻率的方法，當網路負載大時，取樣週期下降，減
少傳輸資料量，[18]提出以動態調整取樣頻率為基礎，其適應性控制器的 設計。
QoS(quality of service)[19]
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
1. 一般網路控制系統其輸出回授是以事件觸發作為傳輸判斷，用於 多半用在低精確度控制，但其無法及時回授感測器資料，而採用 時間觸發，會產生資料遺失率過高，導致控制效能下降的問題。
2. 無線網路控制系統其特性受無線網路環境的影響，如何找出網路 延遲時間、資料遺失率與取樣週期的關係，藉此決定控制系統的 取樣週期。
3. 無線網路控制系統是以無線網路作為傳輸媒介，網路負載受外在 環境影響，所以在網路環境壅塞的情況，會有系統不穩定的問題。
1-4 研究方法
1. 本研究在輸出回授端採用時間觸發，即每一固定取樣週期回傳回 授訊號給控制端做處理，相較於事件觸發，具有高取樣頻率且閉 迴路即時控制的優點。
2. 本研究在接收回授資料端加入估測器，以補償未能即時接收的資 料，讓系統維持閉迴路控制，且經由估測器可以獲得接近於真實 輸出訊號的資料，以減少輸出誤差。
3. 本研究以實驗的方法，探討網路延遲時間、資料遺失率與取樣週 期的關係，找出最佳取樣週期，作為網路遠端監控設計。
4. 本研究對無線網路流量作監控，根據網路流量來做取樣頻率的調 整，藉此降低資料遺失率，以提升系統控制效能與穩定度。
1-5 論文架構
本論文共分為六章，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、IEEE 802.11 加以說明，包括通訊協定以及訊息封包格式，並介紹 CAN 與 IEEE 802.11 整合與人機介面。第三章則先介紹網路控制系統，分析實 驗環境，在不同的傳輸條件下進行實驗，探討取樣週期、時間延遲、資料遺失 的關係，歸納出影響網路系統的相關因素。第四章則為說明回授估測器，包括 回授估測架構、估測器的介紹與選擇，以實驗驗證其可行性，再說明為何使用 智慧訊息估測(Intelligent message estimate)以及其相關實驗結果。第五章則為網 路流量監控說明，包含如何決定系統最佳取樣頻率，切換取樣週期機制的設計 與程式架構以及相關實驗結果。第六章則為本論文的結論以及未來的發展方 向。