专利名称：网络串级控制系统外前向与内反馈通路随机时延补偿方法
技术领域：
本发明涉及网络串级控制系统外前向与内反馈通路随机性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：
近年来，计算机网络技术的飞速发展，引发了控制技术的深刻变革及其相应控制 新理论的产生.通过网络形成闭环的反馈控制系统被称为网络控制系统(Network control systems, NCS).网络控制系统的研究是从20世纪90年代中后期发展起来的，它已成为当前自动 控制和网络通信技术发展的热点之一.网络控制系统具有系统连线少、扩展方便、诊断维 护简单、灵活性高、可实现资源共享及远程控制等优点，已广泛地应用于自动化制造工厂、 电厂、机器人、航天航空和电气化运输等许多复杂的工业过程中.网络控制系统主要研究如何实现对控制系统进行实时可靠的网络控制，而网络自 身特点造成了网络控制系统的复杂性.网络上多用户共享通信线路且流量变化不规则，传 输数据流经众多计算机和通信设备且路径不是唯一的，数据单元在传输中由于网络阻塞、 连接中断等原因会导致时序错乱、数据包丢失.因此，网络控制系统中的数据传输必然存 在时延、丢包、多包传输和网络调度等问题，系统设计时必须考虑并解决由此产生的网络带 宽和实时性问题.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，分别在网 络时延恒定、时变或随机，网络时延小于一个采样周期或大于一个采样周期，单包传输或多 包传输，有无数据包丢失等各种条件下，对其进行建模与稳定性分析，但鲜有论文对网络串 级控制系统进行研究.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. 针对网络仅存在于主变送(控制)器节点与执行(副控制)器节点之间(外前向 网络)，以及副变送器节点与执行(副控制)器节点之间(内反馈网络)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
网络串级控制系统外前向与内反馈通路随机时延补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1).当主变送(控制)器节点被采样周期h1触发时，将采用方式A进行工作；(2).当主变送(控制)器节点将控制信号u1(s)通过外前向网络通路向执行(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).当副变送器节点将模型偏差信号w2(s)通过内反馈网络通路向执行(副控制)器节点传输时，将采用方式D进行工作；(5).当执行(副控制)器节点被控制信号u1(s)或(和)模型偏差信号w2(s)触发时，将采用方式E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(控制)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(控制)器节点被触发后，对主被控对象G1 (s)的输出信号Y1(S)和主被控 对象的预估模型Glm(S)的输出信号ylm(s)进行采样；A3 =^Y1(S)和ylm(s)实施相减运算，得到模型偏差信号W1 (s)； A4:将系统给定信号R(S) ^w1(S)和叫⑷实施相减运算，得到外回路系统误差信号 e“s)；A5 对力⑷实施主控制器C1 (s)运算，得到控制信号U1 (s)；A6 =^u1(S)作为给定信号，作用于副控制器的预估算法C2m(S)与副被控对象的预估模 型G2m(S)构成的反馈回路，其输出为y。g2m(s)； A7 U)作用于Glm(s)，其输出为Hi1(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Bl 主变送(控制)器节点将控制信号U1 (s)，通过外前向网络通路向执行(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)和副被控对象的预 估模型G2m(S)的输出信号y2m(s)进行采样；C3 :^Y2(s)和y2m(s)实施相减运算，得到模型偏差信号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偏差信号w2(s)，通过内反馈网络通路向执行(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 执行(副控制)器节点工作于事件驱动方式；E2 执行(副控制)器节点被控制信号U1 (s)或(和)模型偏差信号W2 (s)触发； E3 在执行(副控制)器节点中，将U1(S)减去模型偏差信号W2 (s)和预估模型G2m(S) 的输出信号ye2m (s)，得到内回路系统误差信号e2 (s)；E4 对e2 (s)实施副控制算法C2 (s)，得到控制信号U2 (s).E5^ 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；E6:同时在节点中完成对G2m(S)的预估值y2m(s)的计算.
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于主变送(控制)器节点是由主变送器内嵌 主控制器C1(S)所组成，即主变送器和主控制器共用同一个节点，主变送(控制)器节点采 用时间驱动触发工作方式(采样周期为Ii1).
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于执行(副控制)器节点是由执行器内嵌副 控制器C2 (s)所组成，即副控制器和执行器共用同一个节点，节点采用事件驱动触发工作方 式(触发信号为U1 (s)或(和)模型偏差信号W2 (S)).
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于系统包含主变送(控制)器节点、副变送器 节点、执行(副控制)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 作方式进行工作.
10.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(控制)器节点到执行 (副控制)器节点之间外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，以及用真实的从副变送器节点到执行(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.
11.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(控制)器节点 到执行(副控制)器节点之间，以及副变送器节点到执行(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(控制)器节点、副变送器节点和执行(副控制) 器节点时钟信号同步的要求.
12.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.
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当主副被控对象G1(S)W2(s)与其预估模 型Glm(s)、G2m(s)相等，副控制器C2(S)与其预估模型C2m(S)相等时，可实现对网络串级控制 系统外前向与内反馈通路随机性网络时延的完全补偿，提高系统的控制性能质量.
14.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.
15.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(控制)器节点周期 采样并对信号进行处理；方式B适用于主变送(控制)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适用于执行(副控制)器节点实施副控制算法，并对副被控对象实施控制作用。
全文摘要
本发明提出一种网络串级控制系统外前向与内反馈通路随机性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前向网络通路节点，以及内反馈网络通路节点之间的网络数据传输过程，代替其间网络时延的补偿模型，免除对节点之间网络数据传输随机性时延的测量、观测、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求。采用本方法可降低随机性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，网络仅存在于网络串级控制系统外前向与内反馈通路中的随机性网络时延的动态补偿与控制。
文档编号H04L7/00GK101986228SQ20101055287
公开日2011年3月16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