专利名称：一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种网络串级控制系统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：
基于实时通信网络构成的闭环反馈控制系统称为网络控制系统(Networked control systems, NCS).网络控制系统充分体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节 点智能化的方向发展，实现了网络资源共享，并增加了系统的柔性和可靠性.但是，由于网 络带宽有限，信息的传送不可避免地会产生网络时延，时延的存在使得系统性能变差，严重 时甚至影响到系统的稳定性同时，由于网络时延的随机性和不确定性，使得网络控制系统 的分析和设计变得非常地困难.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.针对网络同时存在于所有前向与反馈通路中的网络串级控制系统如图2所示，其 输入R(S)与输出Y1(S)之间的闭环传递函为
f m W =_C1WC2Of G2(S)G刺_
L 」 R(s) 1 + C1 (s)e-TiSC2 (s)e~T'sG2 (S)G1 {s)e^s + C2 (s)e"r3iG2 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 i表示将网络数据从主控制器节点传输到副控制器节点所产生的随机性网络时延；τ 2表示将网络数据从主变送器节点传输到主控制器节点所产生的随机性网络时延；τ 3表 示将网络数据从副变送器节点传输到副控制器节点所产生的随机性网络时延；τ4表示将 网络数据从副控制器节点传输到执行器节点所产生的随机性网络时延；由于等式(1)所示的闭环传递函数的分母中包含网络时延^和τ2，13和14的 指数项^和—，广和—,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，就在于能否实现将随机性网络时延^和 τ2，^和τ 4的指数项^dPe ，广“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工和τ 2，τ 3和τ 4的测量，来补偿时延τ工和τ 2，τ 3和τ 4对系统稳定性的影 响.但是，由于对网络时延^和τ2，13和τ 4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，如何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 统所有前向与反馈通路中随机性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，本发明提供了一种网络串级控制系统随机性网络时延的 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、主控制器、副变送器和执行器节点时钟信号同步的要求，同时也免除对网络串级 控制系统中随机性网络时延的测量、估计或辨识的时延补偿方法，实现对所有前向与反馈 通路中的网络时延分段、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主变送器节点到主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.第二步采用副变送器节点到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.第三步采用主控制器节点到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.无论从主控 制器节点到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.第四步采用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.第五步针对图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)到输出Y1(S)之间的闭环传递函数为
权利要求
1.一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法，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).当主变送器节点将模型误差信号W1(s)通过外反馈网络通路向主控制器节点传输 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副控制器节点传输 时，将采用方式D进行工作；(5).当主控制器节点被模型误差信号W1(s)触发时，将采用方式E进行工作；(6).当主控制器节点通过外前向网络通路将控制信号U1(s)向副控制器节点传输时， 将采用方式F进行工作；(7).当副控制器节点被模型误差信号W2(s)或(和)控制信号1 (s)所触发时，将采 用方式G进行工作；(8).当副控制器节点通过内前向网络通路将控制信号U2(S)向执行器节点传输时，将 采用方式H进行工作；(9).当执行器节点被控制信号U2(S)触发时，将采用方式I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)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，得到模型误差信号W1 (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 主变送器节点将模型误差信号W1 (s)，通过外反馈网络通路向主控制器节点传输.
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 主控制器节点工作于事件驱动方式，并被来自外反馈网络通路的模型误差信号 W1(S)触发；E2:将系统给定信号R(S) ^w1(S)和！！^⑷实施相减运算，得到外回路系统误差信号 e“s)；E3 对θι (s)实施主控制算法C1 (s)，得到控制信号U1 (s)；Ε4 将U1 (s)作用于补偿单元C2mG2mGlm/ (l+C2mG2m)，其输出信号为Hi1 (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Fl 主控制器节点将控制信号U1 (s)，通过外前向网络通路向副控制器节点传输.
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 副控制器节点工作于事件驱动方式，并被来自内反馈网络通路的模型误差信号 W2(S)或(和)来自外前向网络通路的控制信号U1(S)触发；G2 =^u1(S)减去ye2m(s)和模型误差信号W2(s)，得到内回路误差信号；再将 作用于副控制器C2 (s)，其输出为U2 (s) ·
9.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式H的步骤包括H1 副控制器节点将控制信号U2(S)，通过内前向网络通路向执行器节点传输.
10.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式I的步骤包括11执行器节点工作于事件驱动方式；12执行器节点被控制信号U2 (s)触发；13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；14完成G2ffl(S)的预估值y2ffl(s)计算·
11.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、 主控制器节点、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.
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用所有真实的外回路网络通路的数据传 输过程代替其间网络时延补偿模型；用所有真实的内回路网络通路的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.
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上免除对所有网络节点之间网络 时延的测量、观测、估计或辨识；免除对所有网络节点时钟信号同步的要求.
14.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.
15.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)、(i2m(S)相等，同时副控制器C2(S)与其预估模型C2m(S)相等时，可实现对网络串 级控制系统外回路和内回路网络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·
16.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.
17.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；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适用于主控 制器节点实施主控制算法，并对信号进行处理；方式F适用于主控制器节点传输网络数据； 方式G适用于副控制器节点实施副控制算法，并对信号进行处理；方式H适用于副控制器节 点传输网络数据；方式I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所有前向与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，改善系统控制性能品质。本发明适用于主副被控对象数学模型已知，网络同时存在于网络串级控制系统的所有前向与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G05B19/418GK102063107SQ201010557590
公开日2011年5月18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