专利名称：网络串级控制系统外反馈与内回路未知网络时延补偿法的制作方法
技术领域：
本发明涉及网络串级控制系统外反馈与内回路未知网络时延的补偿方法，属于网 络控制系统技术领域.
背景技术：
通过网络形成闭环的控制系统称为网络控制系统(networked control system, NCS). 一方面，网络控制系统将闭环控制回路分散于实时串行网络上，突破了传统控制系 统在空间物理位置上的限制以及信息的封闭和局限性，具备了传统控制系统无法比拟的优 点.例如可实现资源共享和远程操作与控制，具有较高的诊断能力，安装与维护简便，能有 效减少系统的重量和体积，提高系统的灵活性和可靠性.但是，将通信网络引入控制系统 使得系统呈现出许多复杂的特性，公用数据网络中除传送闭环控制系统的控制信息之外， 还需要传送许多与控制任务无关的其他数据，由于网络带宽有限，资源竞争和网络拥塞等 现象不可避免地会造成数据传输时延.网络时延的存在不但会降低系统的控制性能，还会 导致系统不稳定.目前，国内外关于网络控制系统的研究主要是针对单回路的控制系统，对网络串 级控制系统的研究较少.控制回路通过实时网络闭合的串级控制系统称为网络串级控制 系统(NCCS)，适用于本发明的网络串级控制系统的典型结构框图如
图1所示.由于网络串级控制系统是一个多闭环回路的网络控制系统，对网络时延影响的分 析与系统性能的研究远比单回路的网络控制系统要复杂得多.内回路网络时延将严重影 响内回路网络控制系统的快速性和抗干扰能力，同时也将与外回路网络时延一起对整个网 络串级控制系统的稳定性和控制品质产生负面影响.对于网络时延研究的难点在于(1)由于网络时延与网络拓扑结构、通信协议、网络负载、网络带宽和数据包大小 等因素有关.对大于数个乃至数十个采样周期的网络时延，要建立准确的预测、估计或辨 识的数学模型，目前几乎是不可能的.(2)发生在前一个节点向后一个节点传输网络数据过程中的网络时延，在前一个 节点中无论采用何种预测或估计方法，都不可能事先提前知道其后产生的网络时延的准确 值.时延导致系统性能下降甚至造成系统不稳定，同时也给控制系统的分析与设计带来困 难·(3)要满足网络串级控制系统中，不同分布地点的所有节点时钟信号完全同步是 不现实的.针对网络仅存在于外回路反馈通路以及整个内回路反馈与前向通路中的如图2 所示的网络串级控制系统，其输入R(S)与输出Y1(S)之间的闭环传递函为
权利要求
1.网络串级控制系统外反馈与内回路未知网络时延补偿法，其特征在于该方法包括以 下步骤(1).当主变送器节点被采样周期hi触发时，将采用方式A进行工作；(2).当主变送器节点将主被控对象G1(s)的输出信号Y1(S)通过外反馈网络通路向主 (副)控制器节点传输时，将采用方式B进行工作；(3).当副变送器节点被采样周期h2触发时，将采用方式C进行工作；(4).当副变送器节点将副被控对象G2(s)的输出信号Y2(S)通过内反馈网络通路向主 (副)控制器节点传输时，将采用方式D进行工作；(5).当主(副)控制器节点被Y1(s)或(和)Y2(S)触发时，将采用方式E进行工作；(6).当主(副)控制器节点通过内前向网络通路将误差信号％(s)向执行器节点传输 时，将采用方式F进行工作；(7).当执行器节点被误差信号e2(s)触发时，将采用方式G进行工作.
2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式A的步骤包括 Al 主变送器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为Ii1 ；A2:主变送器节点被触发后，对主被控对象G1 (s)的输出信号Y1(S)进行采样.
3.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式B的步骤包括Bl 主变送器节点将信号Y1 (s)，通过外反馈网络通路向主(副)控制器节点传输.
4.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式C的步骤包括 Cl 副变送器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为h2 ；C2:副变送器节点被触发后，对副被控对象G2 (s)的输出信号Y2(S)进行采样.
5.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式D的步骤包括Dl 副变送器节点将信号Y2 (s)，通过内反馈网络通路向主(副)控制器节点传输.
6.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式E的步骤包括 El 主(副)控制器节点工作于事件驱动方式；E2:主(副)控制器节点被Y1 (s)或(和)Y2(s)触发；E3 将系统给定信号R(S) ^Y1(S)相加减，得到外回路误差信号^ (s)；E4 将信号ei(s)与Y2(S)相加减，得到内回路误差信号e2(s).
7.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式F的步骤包括F1 主(副)控制器节点通过内前向网络通路将误差信号e2(s)向执行器节点传输.
8.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式G的步骤包括 Gl 执行器节点工作于事件驱动方式；G2 执行器节点被误差信号e2(s)触发；G3 :^e2(s)与来自现场主变送器的信号Y1(S)相减，得到误差信号e3 (s)； G4 对e3(s)进行C1 (s)控制运算，其输出信号为U1 (s)； G5 将U1(S)与自现场副变送器的信号Y2(S)信号相减，得到误差信号e4 (s)； G6 :对％(8)进行C2 (s)控制运算，其输出信号为U2(S)；67:将U2(S)作为驱动信号，对副被控对象G2(S)实施控制；从而改变G2 (s)的状态，进 而改变G1 (s)的状态，实现对G1 (s) %G2(S)的控制作用.
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于主(副)控制器节点是由主控制器内嵌入副控制器所组成.即主控制器和副控制器共用同一个节点，构成主(副)控制器节点，并且 主(副)控制器节点采用事件驱动触发工作方式(触发信号为Y1 (S)或(和)Y2(S)).
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于系统包含主变送器节点、副变送器节点、 主(副)控制器节点、执行器节点、主被控对象和副被控对象等单元，各单元依照各自设定 的工作方式和功能进行工作.
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用真实的从主变送器节点到主(副)控制 器节点之间外回路反馈网络通路的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型；用真实 的从主(副)控制器节点到执行器节点之间内回路前向网络通路的网络数据传输过程代替 其间网络时延补偿模型；用真实的从副变送器节点到主(副)控制器节点之间内回路反馈 网络通路的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型，从而在结构上实现系统不包含 网络时延的补偿模型.
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上免除对从主变送器节点到主 (副)控制器节点之间，从结构上免除对主(副)控制器节点到执行器节点之间，以及从副 变送器节点到主(副)控制器节点之间网络时延的测量、观测、估计或辨识；免除对主变送 器节点、副变送器节点、主(副)控制器节点和执行器节点时钟信号同步的要求.
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上实现网络时延补偿方法的实施 与具体控制策略C1 (S) ^P C2(S)的选择无关，与具体网络通信协议的选择无关.
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于既适用于主或副被控对象数学模型已知， 也适用于主或副被控对象数学模型未时或不确知时，对网络串级控制系统外反馈与内回路 网络通路未知网络时延的补偿，提高系统的控制性能质量.
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用的是“软”改变控制系统结构的补偿 方法，无需再增加任何硬件设备，利用现有网络串级控制系统智能节点自带的软件资源，就 足以实现其补偿功能.
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于方式A适用于主变送器节点周期采样并 对信号进行处理；方式B适用于主变送器节点传输网络数据；方式C适用于副变送器节点 周期采样并对信号进行处理；方式D适用于副变送器节点传输网络数据；方式E适用于主 (副)控制器节点对信号进行处理；方式F适用于主(副)控制器节点传输网络数据；方式 G适用于执行器节点对副被控对象G2 (s)实施控制，并对信号进行处理。
全文摘要
本发明提出一种网络串级控制系统外反馈与内回路未知网络时延的补偿方法，属于网络控制系统技术领域.它采用真实的网络串级控制系统外反馈网络通路节点，以及内回路网络通路节点之间的网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型，免除对节点之间网络数据传输未知时延的测量、观测、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求.采用本方法可降低未知网络时延对系统稳定性的影响，改善系统控制性能质量.本发明适用于主副被控对象数学模型已知或不确知，系统存在未知干扰，网络存在一定量的数据丢包，网络仅存在于网络串级控制系统外反馈与内回路通路中的未知网络时延的动态补偿与控制。
文档编号G05B19/418GK102004481SQ20101055769
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月18日 优先权日2010年11月18日
发明者杜文才, 杜锋 申请人:海南大学