專(zhuān)利名稱(chēng)：一種變送(控制)器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng) 時(shí)延補(bǔ)償方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)等多門(mén)學(xué)科的交叉領(lǐng)域.
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制科學(xué)的日益發(fā)展與交叉滲透，控制系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)正變得越來(lái)越復(fù)雜，空間分布也越來(lái)越廣，對(duì)系統(tǒng)控制性能的要求也越來(lái)越高.網(wǎng)絡(luò) 控制系統(tǒng)(Networked control systems,NCS)是集通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)于一體的復(fù)雜全分 布式控制系統(tǒng)，是基于實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，適用于本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)控制 系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框圖如

圖1所示.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)資源共享和遠(yuǎn)程分布控制，系統(tǒng)構(gòu)建模塊化、 集成化、成本低，故障診斷和維護(hù)方便、易擴(kuò)展、靈活性強(qiáng).然而，由于通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬有限 且為系統(tǒng)中個(gè)節(jié)點(diǎn)所共享，當(dāng)變送(控制)器和執(zhí)行器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)多路徑傳 輸、多包傳輸、數(shù)據(jù)碰撞、網(wǎng)絡(luò)連接中斷等現(xiàn)象是不可避免的，這使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)產(chǎn)生一 些亟待研究和解決的問(wèn)題不確定的數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)變傳輸周期、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延等問(wèn)題，使得 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)喪失了定常性、完整性、因果性和確定性.傳統(tǒng)的控制理論已不能直接用于 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)，必須針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特性，重新評(píng)估和建立網(wǎng)絡(luò)控制系 統(tǒng)的控制理論和控制方法.針對(duì)如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)控制系 統(tǒng)，其輸入R(s)與輸出Y(S)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為= l + C(s)e-G(s)⑴式中C(s)是控制器；G(S)是被控對(duì)象；τ表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從變送(控制)器節(jié) 點(diǎn)傳輸?shù)綀?zhí)行器節(jié)點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延.由于等式(1)所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中存在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ的指數(shù)項(xiàng)，時(shí)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(shí)可使系統(tǒng)出現(xiàn)故障.降低時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵，就在于能否實(shí)現(xiàn)將變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí) 行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ的指數(shù)項(xiàng)從等式(1)的分母中去除，即實(shí)現(xiàn)閉環(huán)特征方程 中不包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的指數(shù)項(xiàng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償作用.然而，要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延 的補(bǔ)償，首先必須知道網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的大小.目前，國(guó)內(nèi)外通常采用的方法是通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延 τ的測(cè)量，來(lái)補(bǔ)償時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.但是，由于對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的準(zhǔn)確測(cè)量需要滿(mǎn)足 節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)同步的要求，若采用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)完全同步，則需要較大的經(jīng)濟(jì) 投入；若采用軟件校正時(shí)鐘信號(hào)，則由于校正信號(hào)在節(jié)點(diǎn)間傳輸時(shí)，可能遭遇網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的影 響，難以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘完全同步；若采用對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延進(jìn)行估計(jì)、辨識(shí)或預(yù)測(cè)的方法來(lái)獲得網(wǎng) 絡(luò)時(shí)延的大小，則必須知道網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)延 的大小可能是隨機(jī)的，也可能是時(shí)變的，其值與具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大小以及網(wǎng)絡(luò)拓
3撲結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的估計(jì)或辨識(shí)都可能存在偏差. 因此，如何免除對(duì)變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)同步的要求，免除對(duì) 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的估計(jì)或辯識(shí)，同時(shí)又能獲得節(jié)點(diǎn)之間準(zhǔn)確 的時(shí)延值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償作用，已成為 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中需要解決的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題.

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種涉及網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié) 點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延補(bǔ)償方法.本發(fā)明的目的針對(duì)網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，網(wǎng) 絡(luò)時(shí)延“測(cè)不準(zhǔn)”的難題，本發(fā)明提出了一種免除對(duì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)同步的要求，同時(shí)也免除 對(duì)其節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量、估計(jì)或辨識(shí)的時(shí)延補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的實(shí)時(shí)、在線(xiàn)和 動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償與控制.本發(fā)明采用的方法是第一步采用變送(控制)器節(jié)點(diǎn)到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程代 替其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償模型.無(wú) 論從變送(控制)器節(jié)點(diǎn)到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)通路有多么復(fù)雜和不確定，也無(wú)論其間 包括有多少個(gè)路由器或(和)中間環(huán)節(jié)，信息流所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延就是控制過(guò)程中真實(shí)的 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，信息流傳輸過(guò)程中就已實(shí)現(xiàn)了對(duì)其時(shí)延的補(bǔ)償功能.第二步針對(duì)圖2所示的網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)施本發(fā)明方法的時(shí)延補(bǔ)償如圖3所示.
在圖3中，從系統(tǒng)的輸入R(S)與輸出Y(S)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求
一種變送(控制)器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1).當(dāng)變送(控制)器節(jié)點(diǎn)被周期采樣信號(hào)觸發(fā)時(shí)，將采用方式A進(jìn)行工作；(2).當(dāng)變送(控制)器節(jié)點(diǎn)將控制信號(hào)u(s)通過(guò)前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，將采用方式B進(jìn)行工作；(3).當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)被信號(hào)u(s)觸發(fā)時(shí)，將采用方式C進(jìn)行工作.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式A的步驟包括Al 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)工作于時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，其觸發(fā)信號(hào)為周期采樣信號(hào)；A2 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，對(duì)被控對(duì)象G(S)的輸出信號(hào)Y(S)和被控對(duì)象預(yù)估 模型Gm(s)的輸出信號(hào)ygm(s)進(jìn)行采樣；A3 將Y(S)和ygm(s)實(shí)施相減運(yùn)算，得到被控對(duì)象的模型偏差信號(hào)w(s)；A4 將系統(tǒng)給定信號(hào)R(S)與W(S) ^P yffl(s)實(shí)施相減運(yùn)算，得到誤差信號(hào)e (s)；A5 對(duì)e (s)實(shí)施控制算法C (s)，得到控制信號(hào)u (s) ·
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式B的步驟包括Bl 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)將控制信號(hào)u(s)，通過(guò)前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)傳輸.
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式C的步驟包括Cl 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被控制信號(hào)u (s)所觸發(fā)；C2 在執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)中，將u(s)作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)被控對(duì)象G(S)實(shí)施控制；C3:完成對(duì)被控對(duì)象預(yù)估模型Gm(s)的輸出信號(hào)‘(S)的計(jì)算.
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于系統(tǒng)包含變送(控制)器、執(zhí)行器、被控對(duì) 象與其預(yù)估模型等單元，各單元依照各自設(shè)定的工作方式進(jìn)行工作.
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用真實(shí)的從變送(控制)器到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn) 之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程代替其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償模型.
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)真實(shí)被控對(duì)象G(S)與其預(yù)估模型Gm(S) 無(wú)差(W(S) =0)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)前向網(wǎng)絡(luò)通路時(shí)延的完全補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；當(dāng)真實(shí) 被控對(duì)象G(S)與其預(yù)估模型Gm(S)有差(w(s)興0)時(shí)，控制器C(S)可減少模型偏差對(duì)系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力.
8.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(duì)變送(控制)器到執(zhí)行器 節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量、估計(jì)或辨識(shí)，免除對(duì)變送(控制)器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)同 步的要求.
9.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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償方法的實(shí)施與 具體控制策略的選擇無(wú)關(guān)，與具體網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無(wú)關(guān).
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方式A適用于變送(控制)器周期采樣并 對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理；方式B適用于變送(控制)器傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式C適用于執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)執(zhí) 行控制功能并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明提出一種變送(控制)器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)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(shí)的變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程代替其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償模型，免除對(duì)節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的測(cè)量、估計(jì)、觀測(cè)或辨識(shí)，免除對(duì)節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)同步的要求。采用本方法可降低時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量。本發(fā)明適用于被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型已知，網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間，網(wǎng)絡(luò)可存在一定數(shù)量的數(shù)據(jù)丟包，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為定常、或時(shí)變或不確定的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與控制。
文檔編號(hào)H04L7/00GK101986230SQ20101055757
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)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, 杜育寬, 杜鋒, 陳褒丹 申請(qǐng)人:海南大學(xué)