专利名称：分层结构中变送器与(控制)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的网络控制系统中，网络存在于变送器与(控制)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：
随着计算性能、网络通信和智能变送技术的飞速发展，使得计算机控制系统从传 统的集中式控制方式过渡到集散控制方式、现场总线控制方式，直至现今的基于网络的分 布式控制方式.利用通信网络实现典型空间分布的变送器、(控制)执行器之间的信息 交互，以达到被控对象的反馈控制，这样一类控制系统称之为网络控制系统(Networked control systems, NCS)，适用于本发明的网络控制系统典型结构框图如
图1所示.与传统的控制系统采用点对点的信息无损传送方式相比，NCS通过数据网络甚至 无线网络可以实现复杂环境下的大系统控制和远程控制，且具有交互性好、减少系统布线、 易于扩展和维护、增加了系统的柔性和可靠性等诸多优点，这些都是传统控制系统所无法 比拟的.同时也使系统的分析和设计变得异常地复杂.由于网络带宽有限并为系统各节 点所共享，当变送器节点与控制执行器节点之间通过网络交换数据时，数据可能存在多包 传输、多路径传输，而网络也可能存在拥塞、连接中断等现象，使得NCS丧失了定常性、完整 性、因果性和确定性.时延的存在会降低系统的控制性能质量，引起系统不稳定，严重时可 导致系统出现故障.如果网络时延是分布特性已知的随机变量，则可把网络控制系统视为一个随机系 统，利用随机控制的理论和方法进行系统分析与设计，但由于网络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，要事先完全确知其准确的概率分布是不可能 的；当网络时延是时变、不确定时延，可采用鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方法对具有 时变时延的网络控制系统进行分析与设计，但由于单纯采用改变控制策略的方法来补偿网 络时延，其前提是把网络时延的变化看成广义被控对象或其参数发生变化，引起系统误差 变化，然后再实施智能等控制方法，本质上是一种被动控制方法，其控制效果通常在时延较 小时效果较好，但难以适应时延波动较大的情况.针对如图2所示的网络仅存在于变送器与(控制)执行器节点间的网络控制系 统，其输入R(S)与输出(S)之间的闭环传递函数为
权利要求
分层结构中变送器与(控制)执行器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).当变送器节点将被控对象G(s)的输出信号Y(s)通过反馈网络通路向(控制)执行器节点传输时，将采用方式B进行工作；(3).当(控制)执行器节点被信号Y(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.
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 变送器节点将信号Y(s)，通过反馈网络通路向(控制)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 (控制)执行器节点工作于事件驱动方式，被来自反馈网络通路的信号Y(s)触发；C2:将系统给定信号R(s)与来自反馈网络通路的信号Y(s)相加减，得到误差信号 e“s)；C3 将ei(s)与来自现场变送器节点的输出信号Y(s)相减，得到误差信号e2(s)；C4 依据误差信号e2 (s)的大小，实施常规控制或智能控制策略C(s)，其输出信号为 u(s)；C5 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器、(控制)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器节点到(控制)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.
8.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， 可实现对反馈网络通路时延的完全补偿，提高系统的控制质量.
9.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器节点到(控制)执 行器节点之间的网络时延的测量、估计或辨识，免除对变送器节点和(控制)执行器节点时 钟信号同步的要求.
10.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.
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于方式A适用于变送器节点周期采样并对信 号进行处理；方式B适用于变送器节点传输网络数据；方式C适用于(控制)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，变送器节点与(控制)执行器节点之间的网络时延补偿方法，属于网络通信、计算机与控制技术领域。它采用真实的变送器节点与(控制)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、观测或辨识，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，且通信网络仅存在于变送器节点与(控制)执行器节点之间的分层结构网络控制系统中，大于1个乃至数十个采样周期的网络时延的动态补偿与控制。
文档编号H04L7/00GK101995873SQ20101055767
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