专利名称：分层结构中变送(控制)器与执行器间网络时延补偿方法
技术领域：
本发明涉及分层结构网络控制系统中，网络存在于变送(控制)器与执行器节点 之间的网络时延补偿方法，属于网络控制系统技术领域.
背景技术：
网络控制系统(Networked control systems，NCS)是指被控对象和控制器通过网 络相连接，适用于本发明的网络控制系统典型结构框图如图1所示.网络控制系统的特点是信息(参考输入、系统输出、控制输入等)通过网络在系统 元件(传感(控制)器、执行器)间交换.它具有很多的优点，如低成本、易安装维护、系统 结构更灵活等，使不同地点的用户实现资源共享和协调操作，现已被广泛使用在工业过程 控制、国防军事、航空航天、能源交通、环境保护等领域中.在控制网络系统中，所有的信息都通过总线进行传输.一方面，随着网络的引入， 信息传输不确定性问题也出现在控制系统中，这样会增加控制系统的分析和设计的复杂 性.另一方面，由于网络中的信息源很多，在传输时信息要分时占用总线，而网络的通信带 宽有限，这就使其传输不可避免地存在着时延.时延的存在会给系统带来相位上的滞后， 而相位滞后是导致系统不稳定的一个重要因素.如何克服网络时延所带来的问题，从而确 保整个系统的稳定性，是一个需要解决的重要问题.针对如图2所示的网络仅存在于变送(控制)器与执行器节点间的网络控制系 统，其输入R(s)与输出Y(S)之间的闭环传递函数为W) = l + Cis)e-G(s)⑴式中C(s)是控制器；G(S)是被控对象；τ表示将网络数据从变送(控制)器节 点传输到执行器节点时所产生的网络时延.由于等式(1)所示的闭环传递函数的分母中存在网络时延τ的指数项，时延 的存在将恶化系统的控制性能质量，甚至导致系统失去稳定性，严重时可使系统出现故障.降低时延对系统稳定性影响的关键，就在于能否实现将变送(控制)器节点与执 行器节点之间的网络时延τ的指数项从等式(1)的分母中去除，即实现闭环特征方程 中不包含网络时延的指数项，进而实现对网络时延的补偿作用.然而，要实现对网络时延 的补偿，首先必须知道网络时延的大小.目前，国内外通常采用的方法是通过对网络时延 τ的测量，来补偿时延对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延的准确测量需要满足 节点时钟信号同步的要求若采用硬件来实现节点时钟信号完全同步，则需要较大的经济 投入；若采用软件校正时钟信号，则由于校正信号在节点间传输时，可能遭遇网络时延的影 响，难以实现节点时钟完全同步；若采用对网络时延进行估计、辨识或预测的方法来获得网 络时延的大小，则必须知道网络时延的准确概率分布，或准确的数学模型，但由于网络时延 的大小可能是随机的，也可能是时变的，其值与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓 扑结构等因素有关，对网络时延的估计或辨识都可能存在误差.
因此，如何免除对变送(控制)器节点与执行器节点时钟信号同步的要求，免除对 变送(控制)器节点与执行器节点之间网络时延的估计或辨识，同时又能获得节点之间准 确的时延值，进而实现对变送(控制)器节点与执行器节点之间网络时延的补偿与控制，已 成为网络控制系统中需要解决的关键问题之一.
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种涉及网络仅存在于变送(控制)器节 点与执行器节点之间的分层结构网络控制系统时延补偿方法.本发明的目的针对网络仅存在于变送(控制)器节点与执行器节点之间的分层结构网络控制系 统中，网络时延“测不准”的难题，本发明提出了一种免除对节点时钟信号同步的要求，同时 也免除对网络时延的测量、估计或辨识的时延补偿方法，实现对网络时延的实时、在线和动 态的补偿.本发明采用的方法是第一步采用变送(控制)器节点到执行器节点之间真实的网络数据传输过程代 替其间网络时延的补偿模型，从而在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无 论从变送(控制)器节点到执行器节点之间的网络通路有多么复杂和不确定，也无论其间 包括有多少个路由器或(和)中间环节，信息流所经历的网络时延就是控制过程中真实的 网络时延，信息流传输过程中就已实现了对其时延的补偿功能.第二步针对图2所示的网络控制系统，实施本发明方法的时延补偿如图3所示.在图3中，从系统的输入R(S)与输出Y(S)之间的闭环传递函数为
_8] W)= I + C(S)G(S)(2)式⑵所示闭环传递函数的分母中，不包含网络时延τ的指数项，即实现了 在其闭环特征方程l+C(s)G(s) =0中不包含网络时延的指数项，从而消除了网络时延对系 统稳定性的影响，提高了系统的控制性能质量，实现了对网络时延的补偿功能.本发明的适用范围本发明适用于网络仅存在于变送(控制)器节点与执行器节点之间的分层结构网 络控制系统中，被控对象数学模型已知或不确知，或干扰难以确定，其网络时延可为随机、 时变或不确定，亦可为已知或确定的网络时延的补偿与控制.本发明的特征在于该方法包括以下步骤1、当变送(控制)器节点被周期采样信号触发时，将采用方式A进行工作；2、当变送(控制)器节点将误差信号ei (S)，通过前向网络通路向执行器节点传输 时，将采用方式B进行工作；3、当执行器节点被来自前向网络通路的信号ei (s)触发时，将采用方式C进行工 作·方式A的步骤包括Al 变送(控制)器节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期采样信号；A2 变送(控制)器节点被触发后，对被控对象G(S)的输出信号Y(S)进行采样；
A3 将系统给定信号R(S)与信号Y(S)相加减，得到误差信号ei(s).方式B的步骤包括Bl 变送(控制)器节点将误差信号ei (S)，通过前向网络通路向执行器节点传输.方式C的步骤包括Cl 执行器节点工作于事件驱动方式，被来自前向网络通路的信号ei(s)触发；C2 =^e1(S)与来自现场变送(控制)器节点的输出信号Y(S)相减，得到误差信 号 e2(s)；C3die2(s)实施常规控制或智能控制策略C (s)，其输出信号为u (s)；C4 将U(S)作为执行驱动信号，对被控对象G(S)实施控制.4、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于系统包含变送(控制)器、执行器和被 控对象等单元，各单元依照各自设定的工作方式进行工作.5、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用真实的从变送(控制)器节点到执 行器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，从而在结构上实现系统不 包含其间网络时延的补偿模型.6、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于控制器C(S)用于减少(消除)误差信 号e2(s)对系统动态性能的影响.7、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于无需完全确知被控对象G(S)的数学 模型，可实现对前向网络通路时延的完全补偿，提高系统的控制质量.8、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对变送(控制)器节点 到执行器节点之间的网络时延的测量、估计或辨识.9、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对变送(控制)器节点 和执行器节点时钟信号同步的要求.10、本发明所述的时延补偿方法，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的选择无关.11、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上实现网络时延补偿方法的 实施与具体网络通信协议的选择无关.12、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式A适用于变送(控制)器节点周 期采样并对信号进行处理.13、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式B适用于变送(控制)器节点传 输网络数据.14、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式C适用于执行器节点实施控制 算法并对被控对象实施控制驱动.本发明具有如下优点1、由于从结构上免除对网络时延的测量、估计或辨识，免除了节点时钟信号同步 的要求，进而避免了时延估计模型不准确造成的估计误差，避免了对时延辨识所需耗费节 点存贮资源的浪费，同时还避免了由于时延造成的“空采样”或“多采样”带来的补偿误差.2、由于从结构上实现与具体的网络通信协议的选择无关，因而既适用于采用有线 网络协议的网络控制系统，亦适用于无线网络协议网络控制系统；既适用于确定性网络协 议，亦适用于非确定性的网络协议.
3、由于从结构上实现了与具体的控制策略的选择无关，因而既可用于采用常规控 制的网络控制系统，亦可用于采用智能控制或采用复杂控制策略的网络控制系统.4、本发明方法既可用于常数时延(包括无传输时延)，亦可用于随机、时变和不确 定的网络时延补偿.5、由于本发明采用的是“软”改变控制系统结构的补偿方法，因而在其实现过程中 无需再增加任何硬件设备，利用现有网络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，因而可节省硬件投资，便于推广和应用.
图1为网络仅存在于变送(控制)器与执行器节点间的网络控制系统方框图.图2为网络仅存在于变送(控制)器与执行器节点间的网络控制系统结构图.图3为本发明所述的分层结构中变送(控制)器与执行器节点间网络时延补偿方 法结构图在图1网络仅存在于变送(控制)器与执行器节点间的网络控制系统方框图中， 系统包含输入信号R，输出信号Y，被控对象(G)，变送(控制)器(S/C)，反馈网络通路和执 行器㈧等单元.其中变送(控制)器(S/C)节点采用时间驱动方式进行工作，触发周期为h，对被控对 象(G)实施周期采样.执行器(A)节点采用事件驱动方式进行工作，由变送(控制)器(S/C)节点的输 出信号通过反馈网络通路来触发.其节点输出信号改变被控对象(G)的状态，实现对被控 对象(G)的控制作用.图1中的变送(控制)器(S/C)节点，执行器㈧节点都是智能节点，不仅具备存 贮运算功能与通信功能，而且具备软件组态与控制功能，这些节点包括现已广泛应用的工 业现场总线控制系统(FCS)和集散控制系统(DCS)中常见的智能节点或智能设备等硬件.在图2网络仅存在于变送(控制)器与执行器节点间的网络控制系统结构图中 系统包含输入信号R，输出信号Y，被控对象(G)，前向网络延迟e_τ 3和控制器C等单元.图2中数据的传输经历着从变送(控制)器节点到执行器节点之间的网络传输时 延τ的影响.时延与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓扑结构等因素有关，呈现 出或定常、或随机、或时变、或不确定等特性，对于网络时延的测量、或估计、或观测、或辨识 成为实现对其补偿的关键前提条件.然而，通过网络连接的各个节点的分布性使得网络控 制系统中的各个节点很难满足时钟同步的要求，同时，由于网络时延的随机性和突发性，要 做到每一步都能准确预测是不可能的.在图3本发明所述的分层结构中变送(控制)器与执行器节点间网络时延补偿方 法结构图系统包含输入信号R，输出信号Y，被控对象(G)，前向网络延迟e_TS和控制器C 等单元.由于图3中不含网络时延的预估模型，免除了对随机、时变或不确定性网络时延 τ的测量、估计、观测或辨识，同时也免除了对变送(控制)器节点、执行器节点时钟信号同 步的要求，实现了将网络时延τ的指数项闭环特征方程中消除，从而降低了时延对 系统稳定性的影响，提高了系统的控制性能质量，实现了对网络时延的补偿与控制.
具体实施例方式下面将通过参照附图3详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人 员更清楚本发明的上述及其它特征和优点.具体实施步骤如下所述第一步工作于时间驱动方式的变送(控制)器节点对被控对象G (S)的输出信号 Y(s)进行周期采样；将系统给定信号R(S)与Y (s)相加减，得到误差信号^ (s) ^e1(S)通 过前向网络通路向执行器节点传送；第二步工作于事件驱动方式的执行器节点被前向网络通路信号ei(s)触发，将 e“s)与来自现场变送(控制)器节点的输出信号Y(S)相减，得到误差信号e2 (s)；对e2(s) 实施常规控制或智能控制策略C(s)，其输出信号为u(s)；将U(S)作为执行驱动信号，对被 控对象G (s)实施控制；第三步返回第一步.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
分层结构中变送(控制)器与执行器节点间网络时延补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1).当变送(控制)器节点被周期采样信号触发时，将采用方式A进行工作；(2).当变送(控制)器节点将误差信号e1(s)，通过前向网络通路向执行器节点传输时，将采用方式B进行工作；(3).当执行器节点被来自前向网络通路的信号e1(s)触发时，将采用方式C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A1 变送(控制)器节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期采样信号；A2 变送(控制)器节点被触发后，对被控对象G(s)的输出信号Y(s)进行采样；A3 将系统给定信号R(s)与信号Y(s)相加减，得到误差信号ei(s).
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B1 变送(控制)器节点将误差信号ei(s)，通过前向网络通路向执行器节点传输；
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C1 执行器节点工作于事件驱动方式，被来自前向网络通路的信号ei(s)触发；C2j#ei(s)与来自现场变送(控制)器节点的输出信号Y(s)相减，得到误差信号 e2(s)；C3实施常规控制或智能控制策略C(s)，其输出信号为u(s)；C4 将u(s)作为执行驱动信号，对被控对象G(s)实施控制.
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于系统包含变送(控制)器、执行器和被控对 象等单元，各单元依照各自设定的工作方式进行工作.
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用真实的从变送(控制)器节点到执行器 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，从而在结构上实现系统不包含 其间网络时延的补偿模型.
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于无需完全确知被控对象G(s)的数学模型， 可实现对前向网络通路时延的完全补偿，提高系统的控制质量.
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上免除对变送(控制)器节点到执 行器节点之间的网络时延的测量、估计或辨识，免除对变送(控制)器节点和执行器节点时 钟信号同步的要求.
9.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 具体控制策略的选择无关，与具体网络通信协议的选择无关.
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于方式A适用于变送(控制)器节点周期采 样并对信号进行处理；方式B适用于变送(控制)器节点传输网络数据；方式C适用于执行 器节点实施控制算法并对被控对象实施控制驱动。
全文摘要
本发明提出一种分层结构的网络控制系统中，变送(控制)器节点与执行器节点之间的网络时延补偿方法，属于网络通信、计算机与控制技术等交叉领域。它采用真实的变送(控制)器节点与执行器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时延的测量、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求。采用本方法可降低时延对系统稳定性的影响，提高系统的动态性能质量。本发明适用于被控对象数学模型已知或不确知，或干扰难以确定，网络仅存在于变送(控制)器节点与执行器节点之间的分层结构网络控制系统中，时延为定常、或时变或不确定的网络时延的动态补偿与控制。
文档编号G05B19/418GK101995874SQ20101055772
公开日2011年3月30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, 杜育宽, 杜锋, 陈褒丹 申请人:海南大学