現場總線控制系統打破了傳統控制系統的結構形式，在技術上現場總線具有系統的開放性、互可操作性與互用性、現場設備的智能化與功能自治性以及對現場環境的適應性等特點。然而現場總線最大的缺點是存在信號的傳輸延遲，因為現場總線采用的是一種串行數據傳輸方式，現場總線控制網絡中所有節點在傳送報文時需要通過網絡調度分時占用總線，這就使得現場的傳感、驅動設備與控制器（主站）或工廠管理層之間的信息在傳輸過程中不可避免地存在著延遲。而且隨著通信協議和網絡中負載的變化，該延遲通常是隨機時變的，從而影響了控制系統的性能甚至穩定性。通常情況下，現場總線控制系統的傳輸延遲可分為：

固定延遲：一般適用于控制系統的采樣周期遠大于網絡延遲時的情況。
獨立分布隨機延遲：延遲服從某種概率分布，但具有獨立的統計特性。
基于Markov鏈的隨機延遲。
對于確定性現場總線控制網絡來說，一個確定的控制系統（總線協議、傳輸速率、節點數量和配置確定）其網絡傳輸延時相對固定，因此本文的研究基于固定的現場總線傳輸延時。

一、基于現場總線數控系統的基本模型

不同的現場總線控制網絡，其網絡延遲的特性也不相同，為了分析網絡延遲對控制系統的影響，首先應對網絡延遲進行建模，網絡延遲一般來說是時變的，受網絡負荷、鏈路層調度協議等因素的影響?；诂F場總線的數控系統通過現場總線將數控單元、執行器和傳感器等連接起來構成一個分布式的控制系統。因此基于現場總線的數控系統是一個多輸入、多輸出以及具有通信傳輸延時的復雜系統。其基本模型如圖1所示。

圖1 基于現場總線的數控系統的基本模型
該模型由數控機床和數控單元兩部分組成。數控機床部分動態模型包括n個可觀測的狀態{x}，m個輸入{u}，以及r個輸出{y}；數控單元部分的動態模型則包括q個可觀測的狀態{z}，r個輸入{w}，以及m個輸出{v}。該數控系統包括m個執行器，r個傳感器和一個數控單元，因此n、m、r以及q均為正整數。其中s1，s2，…，sr和a1，a2，…，am分別表示傳感器與數控單元之間以及數控單元與執行器之間的信號傳輸延時，即變量wr和um分別代表信號yr和vm經過現場總線傳輸后的延時信號。

在圖1中，數控機床部分可看作為線性時不變連續系統，因此其動態模型GP可由如下的連續狀態方程描述：

其中：x（t）∈Rn，u（t）∈Rm，y（t）∈Rr而Ap，Bp，Cp為維數可變的常系數矩陣。

由于數控單元由數字計算機按一定的采樣頻率采集數控機床的傳感器信息，并通過一定的算法進行數字處理，對數控機床的執行部件發送動作指令。因此數控單元部分只能看作為離散系統，其動態模型GC可由如下的離散狀態方程描述：

其中：z（k）=z（kT）∈Rq，w（k）=w（kT）∈Rr，v（k）=v（kT）∈Rm，T為采樣周期，同樣F，G，H和J為維數可變的常系數矩陣。

基于現場總線數控系統最大的特征就是在數控單元與數控機床之間的數據通信存在延時。如圖1所示，通常情況下，

其主要原因就是現場總線采用的是串行數據傳輸方式，信號u（t）與v（k），w（k）與y（t）之間存在延時，因此現場總線的通信環節的時間延時的大小決定了基于現場總線的控制系統實時性能。

二、基于PROFIBUS總線數控系統模型的建立

為了抑制總線傳輸延遲對現場總線控制系統造成的影響，建立基于現場總線數控系統的模型對現場總線的傳輸延時所造成的系統性能影響進行理論分析與仿真研究具有非常重要的意義。在圖1所示的基本模型中，由于系統的復雜性和系統參數的不確定性，因此很難建立其精確的數學模型。本文提出采用Matlab/simulink工具，建立基于現場總線數控系統模型并對現場總線的傳輸延時所造成的數控系統性能影響進行仿真與分析。

圖2 基于Profibus數控系統模型
一般來說數據通信控制網絡是一個復雜的混合系統，如果在仿真過程中使用離散傳遞函數（不考慮采樣周期內的輸入/輸出的變化）來研究微小的總線傳輸延遲對控制系統造成的影響將變得非常困難。如圖2所示，為了避免這些問題，而且盡可能真實地仿真基于現場總線的控制系統的行為，我們把離散的控制系統作為連續的控制系統進行仿真，同時在一個采樣周期內使用采樣/保持單元鎖存信息。在這種情況下，等待總線授權所造成的延時，可以通過現場傳感設備輸出信息鎖存的時間到信息鎖存至控制器的時間延時來進行模擬。模型中的各個模塊的描述如下：

1．現場總線介質訪問控制模塊（Ask Token）

在Profibus總線的數據鏈路層中所采用的介質訪問控制方式為混合介質存取方式，即主站與主站之間為典型的總線令牌傳遞方式，主站與從站之間為主從輪詢方式。這種介質訪問控制方法滿足介質存取控制的基本要求：在主站和主站之間通信，能夠確保在確定的時間間隔中，任何一個站點都有足夠的時間來完成通信任務；在主站和從站間，能夠快速又簡單地完成數據的實時傳輸。

各主站在邏輯上形成一個令牌環，當邏輯環上的主站得到令牌后，允許它在一定的時間內與從站或主站通信，在這段時間內，各主站和從站監視總線，以便對持有令牌的主站的請求做出回應。為控制令牌循環時間，Profibus總線的介質訪問控制MAC協議設置了三種令牌時間：理想令牌循環時間TTR、實際令牌循環時間TRR和令牌持有時間TTH。主站兩次接收到令牌的時間間隔定義為實際令牌循環時間TRR；理想令牌循環時間TTR是根據網絡狀況和信息吞吐量預先組態好的，它決定了各主站的令牌持有時間的長短。令牌持有時間TTH為TTR與TRR之差。

為了計算以上三種時間，Profibus的MAC協議還設置了兩類計時器：TRR計時器和TTH計時器。當令牌到達某個主站時，此節點的TRR計時器開始計時，當令牌又一次到達該主站時，將TRR計時器的值與理想令牌循環時間TTR的差值賦給TTH計時器，得到TTH的值，即TTH=TTR-TRR，TTH計時器根據該值控制信息的傳送。如果TTH為負，即令牌到達超時，則此節點最多只可以發送一個高優先級信息，然后必須傳遞令牌；如果TTH不為負，表明令牌及時到達，則此節點可以連續發送多個等待發送的高優先級信息，當高優先級信息全部發送完畢，如果仍然有持牌時間，則可以繼續發送低優先級信息。所有信息發送完畢或持牌時間超時，則令牌傳遞給下一站令牌傳遞方式，在網絡重載時有很好的時間確定性，但在此時，通信確認顯得尤為重要。在網絡高吞吐量時，為了滿足系統實時性，及時傳遞嚴格的周期性信息，Profibus將傳送的信息按照優先級分為高優先權消息和低優先權消息。只有高優先權消息傳送完畢或沒有高優先權消息，才執行低優先權消息發送。在此基礎之上，Profibus對低優先權消息進行進一步劃分，將低優先權消息劃分為三個子類：輪詢表、非循環低優先權和間隙表。這三個子類用于邏輯環的動態優化，在輪詢表中存有邏輯環的執行順序。當所有高優先權消息發送之后，就發送輪詢表消息循環，非循環低優先權消息只在完成輪詢表消息循環后才發送。