專利名稱：網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前向與內(nèi)反饋通路時變時延補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前向與內(nèi)反饋通路時變網(wǎng)絡(luò)時延的補償方法，屬 于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域.
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked control systems, NCS)是一種全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實時 反饋控制系統(tǒng).網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是自動化領(lǐng)域又一次深刻的變革，它順應(yīng)了工業(yè)控制系統(tǒng)逐 漸地向分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展的趨勢，具有低成本、低功耗、易維護性、高可靠性 等諸多優(yōu)勢，已越來越廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、能源交通、航空航天及遠程控制等領(lǐng)域.由于網(wǎng)絡(luò)的引入，使得控制系統(tǒng)中信息傳輸過程中存在網(wǎng)絡(luò)時延，該時延可能是 固定的、也可能是時變的.網(wǎng)絡(luò)時延的存在將使系統(tǒng)的性能變差甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此 控制系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的影響，這也是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中最受關(guān)注的基本問 題之一.目前，國內(nèi)外關(guān)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究主要是針對單回路的控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng) 絡(luò)時延恒定、時變或隨機，網(wǎng)絡(luò)時延小于一個采樣周期或大于一個采樣周期，單包傳輸或多 包傳輸，有無數(shù)據(jù)包丟失等各種條件下，對其進行建模與穩(wěn)定性分析，但鮮有論文對網(wǎng)絡(luò)串 級控制系統(tǒng)進行研究.控制回路通過實時網(wǎng)絡(luò)閉合的串級控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)串級控制系 統(tǒng)(NCCS)，適用于本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖如

圖1所示.由于網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)是一個多閉環(huán)回路的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，對網(wǎng)絡(luò)時延影響的分 析與系統(tǒng)性能的研究遠比單回路的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多.內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)時延將嚴(yán)重影 響內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的快速性和抗干擾能力，同時也將與外回路網(wǎng)絡(luò)時延一起對整個網(wǎng) 絡(luò)串級控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)產(chǎn)生負面影響.對于網(wǎng)絡(luò)時延研究的難點在于(1)由于網(wǎng)絡(luò)時延與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負載、網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)包大小 等因素有關(guān).對大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期的網(wǎng)絡(luò)時延，要建立準(zhǔn)確的預(yù)測、估計或辨 識的數(shù)學(xué)模型，目前幾乎是不可能的.(2)發(fā)生在前一個節(jié)點向后一個節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過程中的網(wǎng)絡(luò)時延，在前一個 節(jié)點中無論采用何種預(yù)測或估計方法，都不可能事先提前知道其后產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時延的準(zhǔn)確 值.時延導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時也給控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計帶來困 難·(3)要滿足網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)中，不同分布地點的所有節(jié)點時鐘信號完全同步是 不現(xiàn)實的.針對網(wǎng)絡(luò)僅存在于主變送(控制)器節(jié)點與執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間(外前向 網(wǎng)絡(luò))，以及副變送器節(jié)點與執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間(內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò))的如圖2所示的網(wǎng) 絡(luò)串級控制系統(tǒng)，其輸入R(S)與輸出Y1(S)之間的閉環(huán)傳遞函為
式中=C1(S)是主控制器，C2(S)是副控制器;G“s)是主被控對象，G2(S)是副被控 對象；τ工表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從主變送(控制)器節(jié)點傳輸?shù)綀?zhí)行(副控制)器節(jié)點之間所產(chǎn) 生的時變網(wǎng)絡(luò)時延；τ2表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從副變送器節(jié)點傳輸?shù)綀?zhí)行(副控制)器節(jié)點所產(chǎn) 生的時變網(wǎng)絡(luò)時延.
由于等式⑴所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中包含網(wǎng)絡(luò)時延τ工和τ 2的指數(shù)項 和^ ，時延的存在將惡化系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，嚴(yán)重時可使系 統(tǒng)出現(xiàn)故障.
降低時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵，就在于能否實現(xiàn)將主變送(控制)器節(jié)點與 執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)時延τ工的指數(shù)項f和副變送器到執(zhí)行(副控制)器 節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)時延12的指數(shù)項^"從等式(1)的分母中去除，即實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)特征方程 中不包含所有網(wǎng)絡(luò)時延的指數(shù)項，進而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補償.然而，要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延 的補償，首先必須知道網(wǎng)絡(luò)時延的大小.目前，國內(nèi)外通常采用的方法是通過對網(wǎng)絡(luò)時延 ^和τ2的測量，來補償時延^和τ 2對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.但是，由于對網(wǎng)絡(luò)時延T1 和τ2的準(zhǔn)確測量需要滿足節(jié)點時鐘信號同步的要求，若采用硬件來實現(xiàn)節(jié)點時鐘信號完 全同步，則需要較大的經(jīng)濟投入；若采用軟件校正時鐘信號，則由于校正信號在節(jié)點間傳輸 時，可能遭遇網(wǎng)絡(luò)時延的影響，難以實現(xiàn)節(jié)點時鐘完全同步.若采用對網(wǎng)絡(luò)時延進行估計、 觀測、辨識或預(yù)測的方法來獲得網(wǎng)絡(luò)時延的大小，則首先必須知道網(wǎng)絡(luò)時延的準(zhǔn)確概率分 布，或準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，但由于網(wǎng)絡(luò)時延的大小與具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負載大小以及網(wǎng)絡(luò) 拓撲結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，對網(wǎng)絡(luò)時延的估計、觀測、辨識或預(yù)測都可能存在偏差.
因此，如何免除對節(jié)點時鐘信號同步的要求，免除對節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時延的估計、觀 測、辨識或預(yù)測，同時又能獲得節(jié)點之間準(zhǔn)確的時延值，進而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前 向與內(nèi)反饋通路時變網(wǎng)絡(luò)時延的補償作用，已成為網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)研究中需要解決的關(guān) 鍵問題之一.發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種涉及網(wǎng)絡(luò)僅存在于主變送(控制)器 節(jié)點與執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間(外前向網(wǎng)絡(luò))，以及副變送器節(jié)點與執(zhí)行(副控制)器 節(jié)點之間(內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò))的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)的時變網(wǎng)絡(luò)時延的補償方法.
本發(fā)明的目的
針對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)時延“測不準(zhǔn)”的難題，本發(fā)明提出了一種免除對 節(jié)點時鐘信號同步的要求，同時也免除對其節(jié)點之間時變網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計或辨識的 時延補償方法，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的分段、實時、在線和動態(tài)的補償與控制.
本發(fā)明采用的方法是
第一步采用主變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間的真實網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延的補償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時延的 補償模型.無論從主變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)通路有多么 復(fù)雜和不確定，也無論其間包括有多少個路由器或(和)中間環(huán)節(jié)，信息流所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延就是控制過程中真實的網(wǎng)絡(luò)時延，信息流傳輸過程中就已實現(xiàn)了對其時延的補償功能.
第二步采用副變送器節(jié)點到執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間的真實網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸 過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延的補償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時延的補償模 型.無論從副變送器節(jié)點到執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)通路有多么復(fù)雜和不確定， 也無論其間包括有多少個路由器或(和)中間環(huán)節(jié)，信息流所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延就是控制過 程中真實的網(wǎng)絡(luò)時延，信息流傳輸過程中就已實現(xiàn)了對其時延的補償功能.
第三步針對圖2所示的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)，實施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時延補償結(jié) 構(gòu)如圖3所示.
在圖3中，從系統(tǒng)的輸入R(S)與輸出Y1(S)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為Γ0024權(quán)利要求
1.網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前向與內(nèi)反饋通路時變時延補償方法，其特征在于該方法包括 以下步驟(1).當(dāng)主變送(控制)器節(jié)點被采樣周期hi觸發(fā)時，將采用方式A進行工作；(2).當(dāng)主變送(控制)器節(jié)點將誤差信號ei(s)，通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行(副控 制)器節(jié)點傳輸時，將采用方式B進行工作；(3).當(dāng)副變送器節(jié)點被采樣周期Ii2觸發(fā)時，將采用方式C進行工作；(4).當(dāng)副變送器節(jié)點將模型偏差信號W2(s)，通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行(副控制)器 節(jié)點傳輸時，將采用方式D進行工作；(5).當(dāng)執(zhí)行(副控制)器節(jié)點被誤差信號ei(s)或(和)模型偏差信號W2(S)觸發(fā)時， 將采用方式E進行工作.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式A的步驟包括 Al 主變送(控制)器節(jié)點工作于時間驅(qū)動方式，其觸發(fā)采樣周期為Ii1 ；A2 主變送(控制)器節(jié)點被觸發(fā)后，對主被控對象G1 (s)的輸出信號Y1 (s)進行采樣； A3 將系統(tǒng)給定信號R(S)與1(8)相加減，得到外回路誤差信號ei(s).
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式B的步驟包括Bl 主變送(控制)器節(jié)點將誤差信號ei (s)，通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行(副控制) 器節(jié)點傳輸.
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式C的步驟包括 Cl 副變送器節(jié)點工作于時間驅(qū)動方式，其觸發(fā)采樣周期為Ii2 ；C2:副變送器節(jié)點被觸發(fā)后，對副被控對象(i2(S)的輸出信號和副被控對象的預(yù) 估模型(^2m(S)的輸出信號Yail(S)進行采樣；C3 :^Y2(s)和yail(s)實施相減運算，得到模型偏差信號W2 (s).
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式D的步驟包括Dl 副變送器節(jié)點將模型偏差信號w2(s)，通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行(副控制)器節(jié) 點傳輸.
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式E的步驟包括 El 執(zhí)行(副控制)器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；E2 執(zhí)行(副控制)器節(jié)點被誤差信號ei (s)或(和)模型偏差信號W2 (s)觸發(fā)； E3:在執(zhí)行(副控制)器節(jié)點中，將ei(s)與信號Y1(S)相減，得到內(nèi)回路誤差信號 e2(s)；E4 對^⑷實施控制算法C1 (s)，其輸出U1 (s)與模型偏差信號W2 (s)和來自現(xiàn)場副變 送器的輸出信號相減，得到內(nèi)回路誤差信號^(s)； E5 對e3 (s)實施控制算法C2 (s)，得到控制信號U2 (s)；E6^ u2(s)作為驅(qū)動信號，對副被控對象G(S)實施控制，從而改變G(S)的狀態(tài)，進 而改變G1(S)的狀態(tài)，實現(xiàn)對G1(S) %G2(S)的控制作用.同時，在節(jié)點中完成G2m(S)預(yù)估 it Y2ffl (s)的計算·
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于主變送(控制)器節(jié)點是由主變送器內(nèi)嵌 主控制器所組成，即主變送器和主控制器共用同一個節(jié)點，主變送(控制)器節(jié)點采用時間 驅(qū)動觸發(fā)工作方式(采樣周期為Ii1).
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于執(zhí)行(副控制)器節(jié)點是由執(zhí)行器內(nèi)嵌 副控制器所組成，即副控制器和執(zhí)行器共用同一個節(jié)點，節(jié)點采用事件驅(qū)動觸發(fā)工作方式 (觸發(fā)信號為ei (S)或信號W2 (s)).
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于系統(tǒng)包含主變送(控制)器節(jié)點、副變送器 節(jié)點、執(zhí)行(副控制)器節(jié)點、主被控對象和副被控對象等單元，各單元依照各自設(shè)定的工 作方式進行工作.
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用真實的從主變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行 (副控制)器節(jié)點之間外回路前向網(wǎng)絡(luò)通路的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補償模 型，以及用真實的從副變送器節(jié)點到執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間內(nèi)回路反饋網(wǎng)絡(luò)通路的網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含網(wǎng)絡(luò)時延的補 償模型.
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對從主變送(控制)器節(jié)點 到執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間，以及副變送器節(jié)點到執(zhí)行(副控制)器節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時延 的測量、觀測、估計或辨識；免除對主變送(控制)器節(jié)點、副變送器節(jié)點和執(zhí)行(副控制) 器節(jié)點時鐘信號同步的要求.
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延補償方法的實施 與具體控制策略C1 (s) ^P C2(s)的選擇無關(guān)，與具體網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān).
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)副被控對象G(S)與其預(yù)估模型G2m(S) 相等時，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前向與內(nèi)反饋通路時變網(wǎng)絡(luò)時延的完全補償，提高 系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量.
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于采用的是“軟”改變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的補償 方法，無需再增加任何硬件設(shè)備，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)智能節(jié)點自帶的軟件資源，就 足以實現(xiàn)其補償功能.
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方式A適用于主變送(控制)器節(jié)點周期 采樣并對信號進行處理；方式B適用于主變送(控制)器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式C適用于 副變送器節(jié)點周期采樣并對信號進行處理；方式D適用于副變送器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方 式E適用于執(zhí)行(副控制)器節(jié)點實施控制算法，并對副被控對象實施控制作用。
全文摘要
本發(fā)明提出一種網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前向與內(nèi)反饋通路時變時延補償方法，屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。它采用真實的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前向通路節(jié)點，以及內(nèi)反饋通路節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程，代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補償模型，免除對節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時變時延的測量、觀測、估計或辨識，免除對節(jié)點時鐘信號同步的要求。采用本方法可降低時變網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)控制性能品質(zhì)。本發(fā)明適用于主被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知，副被控對象數(shù)學(xué)模型已知，網(wǎng)絡(luò)可存在一定量的數(shù)據(jù)丟包，網(wǎng)絡(luò)僅存在于網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外前向與內(nèi)反饋通路中的時變網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補償與控制。
文檔編號H04L7/00GK102033531SQ20101055298
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月18日
發(fā)明者杜文才, 杜鋒 申請人:海南大學(xué)