专利名称：网络串级控制系统外反馈与内回路时变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中，外反馈与内回路网络通路时变网络时延的补偿 方法，属于网络控制系统技术领域.背景技术
反馈回路通过网络连接的实时分布式控制系统称为网络控制系统(Networked Control Systems, NCS).这种系统在大型工业过程控制系统、楼宇自动化、智能车辆系统、 航天器、舰船以及远程操作机器人等领域正在或将要得到应用.
NCS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，NCS在通过共享网络资 源给控制系统带来各种便利的同时，也给系统和控制理论的研究带来了新的挑战.网络时 延、丢包与多包传输问题使得网络控制系统的分析变得更加复杂.其中控制器、执行器和 变送器之间的时延是由信道竞争、物理信号编码和通信协议处理等带来的额外开销.时延 在不同程度上降低了系统的控制性能，甚至造成系统的不稳定.尤其当网络上存在多个控 制回路时，网络时延会使各回路之间产生耦合，从而使网络控制系统的分析和设计更加复 杂.因此，网络时延是NCS分析与设计的关键因素之一，必须尽量减小时延，降低其不确定 性，以克服其对控制系统的不利影响.
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rnmi1_c,⑷ C2(W2G)C ,⑷_L 」 R(s) 1 + C1 (S)C2 (s)e-f2SG2 (S)G1 (s)e_r|S + C2 (s)eT2SG2 (s)e'TiS
式中=C1(S)是主控制器，C2(S)是副控制器;G“s)是主被控对象，G2(S)是副被控 对象；τ工表示将网络数据从主变送器节点经外反馈网络通路传输到主(副)控制器节点所 产生的时变网络时延；τ2表示将网络数据从主(副)控制器节点经内前向网络通路传输到 执行器节点所产生的时变网络时延；τ3表示将网络数据从副变送器节点经内反馈网络通 路传输到主(副)控制器节点所产生的时变网络时延.
由于等式(1)所示的闭环传递函数的分母中包含网络时延^，12和τ3的指数 项e ，广”和广^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，就在于能否实现将时变网络时延τ” 12和 13的指数项e ，^,和广-从等式(1)的分母中去除，即实现系统闭环特征方程中不包含所 有网络时延的指数项，进而实现对网络时延的补偿.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” 12和τ3 的测量，来补偿时延T1, 12和τ 3对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延^，τ2 和τ 3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、 观测、辨识或预测的方法来获得网络时延的大小，则首先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、观测、辨识或预测都可能存在偏差.
因此，如何免除对节点时钟信号同步的要求，免除对节点之间网络时延的估计、观 测、辨识或预测，同时又能获得节点之间准确的时延值，进而实现对网络串级控制系统外回 路反馈通路以及整个内回路反馈与前向通路中时变网络时延的补偿作用，已成为网络串级 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外回路反馈通路， 以及整个内回路反馈与前向通路中网络串级控制系统时变网络时延的动态补偿方法.
本发明的目的
针对网络串级控制系统中，网络时延“测不准”的难题，本发明提出了一种免除对 主变送器节点、主(副)控制器节点、副变送器节点和执行器节点时钟信号同步的要求，同 时也免除对其节点之间(外回路反馈通路，以及整个内回路反馈与前向通路中)，时变网络 时延的测量、估计或辨识，实现对网络时延的分段、实时、在线和动态的补偿与控制.
本发明采用的方法是
第一步采用副变送器节点到主(副)控制器节点之间的真实网络数据传输过程 代替其间网络时延的补偿模型，在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无论 从副变送器节点到主(副)控制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.
第二步采用主(副)控制器节点到执行器节点之间的真实网络数据传输过程代 替其间网络时延的补偿模型，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 主(副)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.
第三步采用主变送器节点到主(副)控制器节点之间的真实网络数据传输过程 代替其间网络时延的补偿模型，在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无论 从主变送器节点到主(副)控制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.
第四步针对图2所示的网络串级控制系统，实施本发明方法的网络时延补偿结 构如图3所示.
在图3中，从系统的输入R(S)与输出Y1(S)之间的闭环传递函数为
权利要求
1.网络串级控制系统外反馈与内回路时变网络时延补偿法，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Ii2触发时，将采用方式C进行工作；(4).当副变送器节点将模型误差信号W2(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)W2(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Ii2 ；C2:副变送器节点被触发后，对副被控对象(i2(S)的输出信号和副被控对象的预 估模型(^2m(S)的输出信号Yail(S)进行采样；C3 :^Y2(s)和yail(s)实施相减运算，得到模型误差信号W2 (s).
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 副变送器节点将模型误差信号w2(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w2 (s)触发；E3 将系统给定信号R(S) ^Y1(S)相加减，得到误差信号力(s)；E4 将信号ei (s)减去W2 (s)，得到误差信号％ (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^(s)； G4 对 ⑷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信号相减，得到误差信号％(s)； G6 对^⑷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G(S)实施控制；从而改变G(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；同时，在节点中完成G2m(S)预估值 Y2ffl (s)的计算.
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(触发信号为信号Y1(S)或(和)W2(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Cl (S)和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，其特征在于当副被控对象h(s)与其预估模型G2m(S) 相等时，可实现对网络串级控制系统外反馈与内回路网络通路时变网络时延的完全补偿， 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.
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于方式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G(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时变网络时延补偿方法，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时变时延的测量、观测、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求。采用本方法可降低时变网络时延对系统稳定性的影响，改善系统控制性能质量。本发明适用于主被控对象数学模型已知或不确知，副被控对象数学模型已知，网络可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网络通路中的时变网络时延的动态补偿与控制。
文档编号H04L7/00GK102033534SQ20101055753
公开日2011年4月27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