专利名称：网络串级控制系统外前向与内反馈通路时变时延补偿方法
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时变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：
网络控制系统(Networked control systems, NCS)是一种全分布式、网络化实时 反馈控制系统.网络控制系统是自动化领域又一次深刻的变革，它顺应了工业控制系统逐 渐地向分散化、网络化、智能化方向发展的趋势，具有低成本、低功耗、易维护性、高可靠性 等诸多优势，已越来越广泛应用于工业过程控制、能源交通、航空航天及远程控制等领域.由于网络的引入，使得控制系统中信息传输过程中存在网络时延，该时延可能是 固定的、也可能是时变的.网络时延的存在将使系统的性能变差甚至使系统不稳定，因此 控制系统设计时必须考虑网络诱导时延的影响，这也是网络控制系统中最受关注的基本问 题之一.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
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工表示将网络数据从主变送(控制)器节点传输到执行(副控制)器节点之间所产 生的时变网络时延；τ2表示将网络数据从副变送器节点传输到执行(副控制)器节点所产 生的时变网络时延.
由于等式⑴所示的闭环传递函数的分母中包含网络时延τ工和τ 2的指数项 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，就在于能否实现将主变送(控制)器节点与 执行(副控制)器节点之间的网络时延τ工的指数项f和副变送器到执行(副控制)器 节点之间的网络时延12的指数项^"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 ^和τ2的测量，来补偿时延^和τ 2对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延T1 和τ2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，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外前 向与内反馈通路时变网络时延的补偿作用，已成为网络串级控制系统研究中需要解决的关 键问题之一.发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种涉及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)的网络串级控制系统的时变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 节点时钟信号同步的要求，同时也免除对其节点之间时变网络时延的测量、估计或辨识的 时延补偿方法，实现对网络时延的分段、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(控制)器节点到执行(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，从而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(控制)器节点到执行(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.
第二步采用副变送器节点到执行(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，从而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执行(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)与输出Y1(S)之间的闭环传递函数为Γ0024权利要求
1.网络串级控制系统外前向与内反馈通路时变时延补偿方法，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hi触发时，将采用方式A进行工作；(2).当主变送(控制)器节点将误差信号ei(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)器节点被误差信号ei(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)进行采样； A3 将系统给定信号R(S)与1(8)相加减，得到外回路误差信号ei(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)器节点将误差信号ei (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)器节点被误差信号ei (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ei(s)与信号Y1(S)相减，得到内回路误差信号 e2(s)；E4 对^⑷实施控制算法C1 (s)，其输出U1 (s)与模型偏差信号W2 (s)和来自现场副变 送器的输出信号相减，得到内回路误差信号^(s)； E5 对e3 (s)实施控制算法C2 (s)，得到控制信号U2 (s)；E6^ 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.同时，在节点中完成G2m(S)预估 it Y2ffl (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ei (S)或信号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，其特征在于当副被控对象G(S)与其预估模型G2m(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时变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时变时延补偿方法，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通路节点，以及内反馈通路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变时延的测量、观测、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求。采用本方法可降低时变网络时延对系统稳定性的影响，改善系统控制性能品质。本发明适用于主被控对象数学模型已知或不确知，副被控对象数学模型已知，网络可存在一定量的数据丢包，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时变网络时延的动态补偿与控制。
文档编号H04L7/00GK102033531SQ20101055298
公开日2011年4月27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