專利名稱：網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向通路隨機性網(wǎng)絡時延補償方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向通路隨機性網(wǎng)絡時延的補償方法，屬于網(wǎng)絡控 制系統(tǒng)技術(shù)領域.
背景技術(shù)：
在分布式控制系統(tǒng)中，傳感器與控制器，控制器與執(zhí)行器之間通過實時通信網(wǎng)絡 構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(Networked control systems, NCS).網(wǎng)絡控 制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比，具有成本低、易于信息共享、易于擴展維護、 靈活性大等優(yōu)點，因此近年來被廣泛應用于工業(yè)控制過程中.但是，由于網(wǎng)絡通信帶寬的 承載能力有限，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸不可避免地存在著網(wǎng)絡時延.時延的存在會降低系統(tǒng)的控 制性能質(zhì)量，甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時也給控制系統(tǒng)的分析、設計帶來了很大的困難.目前，國內(nèi)外關(guān)于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究主要是針對單回路的控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng) 絡時延恒定、時變或隨機，網(wǎng)絡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)絡串 級控制系統(tǒng)進行研究.控制回路通過實時網(wǎng)絡閉合的串級控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡串級控制系 統(tǒng)(NCCS)，適用于本發(fā)明的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.由于網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)是一個多閉環(huán)回路的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，對網(wǎng)絡時延影響的分 析與系統(tǒng)性能的研究遠比單回路的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)要復雜得多.內(nèi)回路網(wǎng)絡時延將嚴重影 響內(nèi)回路網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的快速性和抗干擾能力，同時也將與外回路網(wǎng)絡時延一起對整個網(wǎng) 絡串級控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)產(chǎn)生負面影響.對于網(wǎng)絡時延研究的難點主要在于(1)由于網(wǎng)絡時延與網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡負載、網(wǎng)絡帶寬和數(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)絡時延，要建立準確的預測、估計或辨 識的數(shù)學模型，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)絡數(shù)據(jù)過程中的網(wǎng)絡時延，在前一個 節(jié)點中無論采用何種預測或估計方法，都不可能事先提前知道其后產(chǎn)生的網(wǎng)絡時延的準確 值.時延導致系統(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)的分析與設計帶來困 難·(3)要滿足網(wǎng)絡串級控制系統(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)絡僅存在于主變送(控制)器節(jié)點與副變送(控制)器節(jié)點之間(外前向 網(wǎng)絡)，以及副變送(控制)器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點之間(內(nèi)前向網(wǎng)絡)的如圖2所示的網(wǎng)絡 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
rnmn1 Y1(S) =C1W C2(W 明)啡)
LUUi U」 沢⑷！ + q(S)e-^c2(s)e-^sG2(S)G1 (s) + C2(s)e^sG2(s)V } 式中=C1(S)是主控制器，C2(S)是副控制器^1(S)是主被控對象，G2(S)是副被控對象；T i表示將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)從主變送(控制)器節(jié)點傳輸?shù)礁弊兯?控制)器節(jié)點之間所產(chǎn) 生的隨機性網(wǎng)絡時延；t2表示將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)從副變送(控制)器節(jié)點傳輸?shù)綀?zhí)行器節(jié)點所產(chǎn) 生的隨機性網(wǎng)絡時延.由于等式⑴所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中包含網(wǎng)絡時延T工和T 2的指數(shù)項6 和ei,時延的存在將惡化系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量，甚至導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，嚴重時可使系 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 副變送(控制)器節(jié)點之間的網(wǎng)絡時延t工的指數(shù)項和副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器 節(jié)點之間的網(wǎng)絡時延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)絡時延的指數(shù)項，進而實現(xiàn)對網(wǎng)絡時延的補償.然而，要實現(xiàn)對網(wǎng)絡時延 的補償，首先必須知道網(wǎng)絡時延的大小.目前，國內(nèi)外通常采用的方法是通過對網(wǎng)絡時延 ^和t2的測量，來補償時延^和對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.但是，由于對網(wǎng)絡時延^ 和t2的準確測量需要滿足節(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)絡時延進行估計、 觀測、辨識或預測的方法來獲得網(wǎng)絡時延的大小，則首先必須知道網(wǎng)絡時延的準確概率分 布，或準確的數(shù)學模型，但由于網(wǎng)絡時延的大小與具體的網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡負載大小以及網(wǎng)絡 拓撲結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，對網(wǎng)絡時延的估計、觀測、辨識或預測都可能存在偏差.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)絡時延的估計、觀 測、辨識或預測，同時又能獲得節(jié)點之間準確的時延值，進而實現(xiàn)對網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向 通路隨機性網(wǎng)絡時延的補償與控制，已成為網(wǎng)絡串級控制系統(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)絡僅存在于主變送(控制)器 節(jié)點與副變送(控制)器節(jié)點之間(外前向網(wǎng)絡)，以及副變送(控制)器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié) 點之間(內(nèi)前向網(wǎng)絡)的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)隨機性網(wǎng)絡時延補償方法.本發(fā)明的目的針對網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡時延“測不準”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)點之間隨機性網(wǎng)絡時延的測量、估計或辨識 的時延補償方法，實現(xiàn)對網(wǎng)絡時延的分段、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)點到副變送(控制)器節(jié)點之間的真實網(wǎng)絡數(shù) 據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡時延的補償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡時延的 補償模型.無論從主變送(控制)器節(jié)點到副變送(控制)器節(jié)點之間的網(wǎng)絡通路有多么 復雜和不確定，也無論其間包含有多少個路由器或(和)中間環(huán)節(jié)，信息流所經(jīng)歷的網(wǎng)絡時 延就是控制過程中真實的網(wǎng)絡時延，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(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間的真實網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過 程代替其間網(wǎng)絡時延的補償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡時延的補償模型.無論從副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間的網(wǎng)絡通路有多么復雜和不確定，也 無論其間包含有多少個路由器或(和)中間環(huán)節(jié)，信息流所經(jīng)歷的網(wǎng)絡時延就是控制過程 中真實的網(wǎng)絡時延，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)絡串級控制系統(tǒng)，實施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡時延補償結(jié) 構(gòu)如圖3所示.在圖3中，從系統(tǒng)的輸入R(s)與輸出Yjs)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
c^e^c^e-^g^g.js) roo231 m=_i+c2(禮⑴_
l + c2m(s)g2m(s)其中斷^^(3)= ⑷ 當主(副)被控對象預估模型等于其真實模型，即Glm(s) =G1(s),G2ffl(s) =G2(s), 副控制器滿足C2m(s) = C2(s)時，式(2)可化簡為 rnn s1 妝) c^e-^c^e-g^g^s)式(5)所示的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)分母中，不包含網(wǎng)絡時延^和 T2的指數(shù)項^和e-￥，即實現(xiàn)了閉環(huán)特征方程1+C2 (8)^(8)+^ (8)^(8)^(8)^(8) = 0中 不包含網(wǎng)絡時延的指數(shù)項，從而消除了網(wǎng)絡時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高了系統(tǒng)的控制 性能質(zhì)量，實現(xiàn)了對隨機性網(wǎng)絡時延的補償功能.本發(fā)明的適用范圍本發(fā)明適用于主(副)被控對象數(shù)學模型已知，網(wǎng)絡時延可大于1個乃至數(shù)十個 采樣周期，網(wǎng)絡僅存在于主變送(控制)器節(jié)點與副變送(控制)器節(jié)點之間(外前向網(wǎng) 絡)，以及副變送(控制)器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點之間(內(nèi)前向網(wǎng)絡)的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)隨 機性網(wǎng)絡時延的補償與控制.本發(fā)明的特征在于該方法包括以下步驟1、當主變送(控制)器節(jié)點被采樣周期、觸發(fā)時，將采用方式A進行工作；2、當主變送(控制)器節(jié)點將控制信號Ul(s)通過外前向網(wǎng)絡通路向副變送(控 制)器節(jié)點傳輸時，將采用方式B進行工作；3、當副變送(控制)器節(jié)點被采樣周期h2觸發(fā)時，將采用方式C進行工作；4、當副變送(控制)器節(jié)點被控制信號Ul(s)觸發(fā)時，將采用方式D進行工作；5、當副變送(控制)器節(jié)點將控制信號u2(s)通過內(nèi)前向網(wǎng)絡通路向執(zhí)行器節(jié)點 傳輸時，將采用方式E進行工作；6、當執(zhí)行器節(jié)點被控制信號u2(s)觸發(fā)時，將采用方式F進行工作.方式A的步驟包括A1 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、；A2 主變送(控制)器節(jié)點被觸發(fā)后，對主被控對象Gjs)的輸出信號Yjs)和主 被控對象的預估模型Glm(s)的輸出信號ylm(s)進行采樣；
A3 :對^8)和ylni(s)實施相減運算，得到模型偏差信號Wl(s)；A4 將系統(tǒng)給定信號R(s)與^(8)實施相減運算，得到外回路系統(tǒng)誤差信 號 ej(s)；A5 對(s)實施主控制器(s)運算，得到控制信號Ul (s)；A6 :^Ul(s)作為給定信號，作用于副控制器的預估算法C2m(s)與副被控對象的預 估模型G2m(s)構(gòu)成的反饋回路，其輸出為y。g2m(S)；A7:將 y。g2m(s)作用于 G2m(s)與 Glm(s)，其輸出為叫(s) 方式B的步驟包括B1 主變送(控制)器節(jié)點將控制信號Ul(s)，通過外前向網(wǎng)絡通路向副變送(控 制)器節(jié)點傳輸.方式C的步驟包括C1 副變送(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h2 ；C2 副變送(控制)器節(jié)點被觸發(fā)后，對副被控對象G2(s)的輸出信號Y2(S)和副 被控對象的預估模型G2m(s)的輸出信號y2m(s)進行采樣；C3 :^Y2(s)和y2ni(s)實施相減運算，得到模型偏差信號w2(s).方式D的步驟包括D1 驅(qū)動信號…^)觸發(fā)副變送(控制)器節(jié)點，此時的副變送(控制)器節(jié)點工 作于事件驅(qū)動方式；D2 在副變送(控制)器節(jié)點中，將Ul(s)減去模型偏差信號w2(s)和預估模型 G2ffl(s)的輸出信號y㈣(s)，得到內(nèi)回路系統(tǒng)誤差信號e2(s)；D3 針對e2 (s)，實施副控制器算法C2 (s)，其節(jié)點輸出的控制信號為u2 (s).方式E的步驟包括E1 副變送(控制)器節(jié)點將控制信號u2(s)，通過內(nèi)前向網(wǎng)絡通路向執(zhí)行器節(jié)點 傳輸.方式F的步驟包括F1 執(zhí)行器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；F2 執(zhí)行器節(jié)點被控制信號u2(s)觸發(fā)；F3 :^u2(s)作為驅(qū)動信號，對副被控對象62(8)實施控制；G2 (s)的輸出信號為 Y2 (s)，對主被控對象& (s)實施控制；F4 同時在執(zhí)行器節(jié)點中，完成G2m(s)的預估值y2m(S)的計算.7、本發(fā)明所述的時延補償方法，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Ci(s)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(采樣周期為比).8、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于副變送(控制)器節(jié)點是由副變送器 內(nèi)嵌入副控制器(2(8)所組成，即副變送器和副控制器共用同一個節(jié)點.副變送器采用時 間驅(qū)動觸發(fā)工作方式(采樣周期為h2)，而副控制器采用事件驅(qū)動觸發(fā)工作方式(觸發(fā)信號 為 U^s)).9、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于系統(tǒng)包含主變送(控制)器節(jié)點、副變 送(控制)器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點、主被控對象和副被控對象等單元，各單元依照各自設定的工作方式進行工作.10、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于用真實的從主變送(控制)器節(jié)點到 副變送(控制)器節(jié)點之間外回路前向網(wǎng)絡通路的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡時延補 償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡時延的補償模型.11、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于用真實的從副變送(控制)器節(jié)點到 執(zhí)行器節(jié)點之間內(nèi)回路前向網(wǎng)絡通路的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡時延補償模型，從 而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡時延的補償模型.12、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對從主變送(控制)器 節(jié)點到副變送(控制)器節(jié)點之間網(wǎng)絡時延的測量、觀測、估計或辨識.13、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對副變送(控制)器節(jié) 點到執(zhí)行器節(jié)點之間網(wǎng)絡時延的測量、觀測、估計或辨識.14、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對主變送(控制)器節(jié) 點、副變送(控制)器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點時鐘信號同步的要求.15、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)網(wǎng)絡時延補償方法的 實施與具體控制策略Ci(s)和(2(8)的選擇無關(guān).16、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)網(wǎng)絡時延補償方法的 實施與具體網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇無關(guān).17、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于當主副被控對象&(8)與62(8)與其 預估模型Glm(s)和G2m(s)相等，以及副控制器預估模型滿足C2m(s)等于C2(s)時，可實現(xiàn)對 網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向通路隨機性網(wǎng)絡時延的完全補償，提高系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量.18、本發(fā)明所述的時延補償方法，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備，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)智能節(jié)點自帶的軟件資 源，就足以實現(xiàn)其補償功能.19、本發(fā)明所述的時延補償方法，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.20、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于方式B適用于主變送(控制)器節(jié)點 傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù).21、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于方式C適用于副變送(控制)器節(jié)點 周期采樣并對信號進行處理.22、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于方式D適用于副變送(控制)器節(jié)點 實施控制算法.23、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于方式E適用于副變送(控制)器節(jié)點 傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù).24、本發(fā)明所述的時延補償方法，其特征在于方式F適用于執(zhí)行器節(jié)點實施驅(qū)動 與控制功能.本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、由于從結(jié)構(gòu)上免除了對主變送(控制)器節(jié)點到副變送(控制)器節(jié)點之間 (外回路前向通路)，以及副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間(內(nèi)回路前向通路)隨 機性網(wǎng)絡時延的測量、觀測、估計或辨識，同時還免除了節(jié)點時鐘信號同步的要求，進而避
8免了時延估計模型不準確造成的估計誤差，避免了對時延辨識所需耗費節(jié)點存貯資源的浪 費，同時還避免了由于時延造成的“空采樣”或“多采樣”帶來的補償誤差.2、由于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了與具體的網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇無關(guān)，因而既適用于采用有 線網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)，亦適用于無線網(wǎng)絡協(xié)議的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)；既適用于 確定性網(wǎng)絡協(xié)議，亦適用于非確定性的網(wǎng)絡協(xié)議.3、由于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了與具體的網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇無關(guān)，因而既適用于基于有 線網(wǎng)絡協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)，亦適用于基于無線網(wǎng)絡協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡串級控制系 統(tǒng)，同時還適用于異質(zhì)(如有線與無線混雜)的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)的時延補償.4、由于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了與具體的主(或副)控制器控制策略的選擇無關(guān)，因而既 可用于采用常規(guī)控制的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)，亦可用于采用智能控制或采用復雜控制策略的 網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng).5、由于本發(fā)明采用的是“軟”改變控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的補償方法，因而在其實現(xiàn)過程中 無需再增加任何硬件設備，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)智能節(jié)點自帶的軟件資源，就足以 實現(xiàn)其補償功能，因而可節(jié)省硬件投資，便于推廣和應用.


圖1為網(wǎng)絡僅存在于前向通路中的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)方框圖.圖2為網(wǎng)絡僅存在于前向通路中的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.圖3為本發(fā)明所述的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向通路隨機性網(wǎng)絡時延補償方法結(jié)構(gòu) 圖在圖1的方框圖中，系統(tǒng)由輸入信號(R)，主變送(控制)器(Si/Ci)節(jié)點，外前向 網(wǎng)絡，副變送(控制)器(S2/C2)節(jié)點，內(nèi)前向網(wǎng)絡，執(zhí)行器(A)節(jié)點，副被控對象(G2)及其 輸出(Y2)，以及主被控對象及其輸出(A)所組成.主變送器中內(nèi)置主控制器，即主變送器和主控制器共用同一個節(jié)點餌/^).節(jié)點 采用時間驅(qū)動方式進行工作，觸發(fā)周期為h，對主被控對象實施周期采樣，并對偏差信號實 施控制 副變送器中內(nèi)置副控制器，即副變送器和副控制器共用同一個節(jié)點(S2/C2).其 中副變送器采用時間驅(qū)動方式進行工作，觸發(fā)周期為h2，對副被控對象實施周期采樣；而 副控制器采用事件驅(qū)動方式進行工作，由主變送(控制)器(Si/Ci)節(jié)點的輸出信號通過外 前向網(wǎng)絡來觸發(fā).執(zhí)行器㈧為一獨立節(jié)點，采用事件驅(qū)動方式進行工作，由副變送(控制)器(S2/ c2)節(jié)點的輸出信號通過內(nèi)前向網(wǎng)絡來觸發(fā)，并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，從而改變副被控對象(g2)的 狀態(tài)，進而改變主被控對象(Gi)的狀態(tài).圖1中系統(tǒng)的主變送(控制)器(Si/Q)節(jié)點，副變送(控制)器(S2/C2)節(jié)點 以及執(zhí)行器(A)節(jié)點都是智能節(jié)點，不僅具備存貯運算與通信功能，而且還具備軟件組態(tài) 與控制功能，這些節(jié)點包括現(xiàn)已廣泛應用的工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)和集散控制系統(tǒng) (DCS)中常見的智能節(jié)點或智能設備等硬件.在圖2的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸中的隨機性網(wǎng)絡傳輸時延對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性 能質(zhì)量有著顯著的影響.網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)歷著從主變送(控制)器節(jié)點到副變送(控制)器節(jié)點之間(外回路前向通路)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸時延^，以及副變送(控 制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間(內(nèi)回路前向通路)的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸時延t2的影響.時延 與具體的網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡負載大小以及網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，對于網(wǎng)絡時延的測量、或 估計、或觀測、或辨識已成為實現(xiàn)對其補償?shù)年P(guān)鍵前提條件.然而，通過網(wǎng)絡連接的各個節(jié) 點的分布性使得網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)中的各個節(jié)點很難滿足時鐘信號同步的要求.同時，由 于網(wǎng)絡時延的隨機性和突發(fā)性，要做到每一步都能準確預測是不可能的.在圖3的系統(tǒng)中，不包含從主變送(控制)器節(jié)點到副變送(控制)器節(jié)點之間 (外回路前向通路)的網(wǎng)絡時延預估模型，也不包含從副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點 之間(內(nèi)回路前向通路)的網(wǎng)絡時延預估模型.免除了對隨機性網(wǎng)絡時延^和t2的測 量、估計、觀測或辨識，同時也免除了對節(jié)點(主變送(控制)器、副變送(控制)器、執(zhí)行 器)時鐘信號同步的要求.當主副被控對象與其預估模型相等時，可實現(xiàn)從系統(tǒng)的輸入信 號R(S)到系統(tǒng)的輸出信號Yi(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)中，將網(wǎng)絡時延^和^的指數(shù)項￡ 和
從分母中消除，即實現(xiàn)閉環(huán)特征方程中不包含網(wǎng)絡時延^和12的指數(shù)項，從而降低了 時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高了系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量，實現(xiàn)對隨機性網(wǎng)絡時延的補償與 控制.
具體實施例方式下面將通過參照附圖3詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，使本領域的普通技術(shù)人 員更清楚本發(fā)明的上述及其它特征和優(yōu)點.具體實施步驟如下所述第一步工作于時間驅(qū)動方式的主變送(控制)器節(jié)點對主被控對象& (s)的輸 出信號Yjs)和其預估模型Glm(s)的輸出信號ylni(s)進行周期采樣(采樣周期為h)，并對 Y“s)和ylni(s)實施相減運算，得到模型偏差信號Wl(s)；第二步工作于時間驅(qū)動方式的副變送(控制)器節(jié)點對副被控對象G2(s)的輸 出信號Y2(s)和其預估模型G2m(s)的輸出信號y2ni(s)進行周期采樣(采樣周期為h2)，并對 Y2(s)和y2ni(s)實施相減運算，得到模型偏差信號w2(s)；第三步主變送(控制)器節(jié)點根據(jù)系統(tǒng)給定信號與節(jié)點內(nèi)補償 單元輸出信號mjs)相減，得到誤差信號力⑷，對力⑷實施C“s)控制，其輸出信號為 Ul(s)一方面，將Ul(s)作為本節(jié)點內(nèi)由副控制器的預估模型C2m(s)和副被控對象的預估 模型G2m(s)構(gòu)成的負反饋回路的給定輸入信號；另一方面，將…^)作為副變送(控制)器 節(jié)點中控制器C2(s)的給定；第四步通過外回路前向網(wǎng)絡通路將Ul(s)傳輸?shù)礁弊兯?控制)器節(jié)點，并觸發(fā) 其節(jié)點處于工作狀態(tài)；第五步副變送(控制)器節(jié)點中的控制器C2(s)被…^)觸發(fā)后，根據(jù)系統(tǒng)給定 信號…^沁對^^)與節(jié)點內(nèi)的副被控對象預估模型G2m(s)的輸出信號y㈣(s)相減，得到 誤差信號62(8)，對62(8)實施C2(s)控制，其控制輸出信號為u2(s)—方面，將u2(s)作為 G2ffl(s)的輸入信號；另一方面，將112(8)作為副被控對象&(8)的控制信號；第六步通過內(nèi)前向網(wǎng)絡通路將u2(s)向執(zhí)行器節(jié)點傳送；第七步工作于事件驅(qū)動方式的現(xiàn)場執(zhí)行器節(jié)點被u2 (s)信號觸發(fā)，并驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，從而改變副被控對象G2(s)的狀態(tài)，進而改變主被控對象&(8)的狀態(tài).第八步返回第一步.以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi).本說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向通路隨機性網(wǎng)絡時延補償方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1).當主變送(控制)器節(jié)點被采樣周期h1觸發(fā)時，將采用方式A進行工作；(2).當主變送(控制)器節(jié)點將控制信號u1(s)通過外前向網(wǎng)絡通路向副變送(控制)器節(jié)點傳輸時，將采用方式B進行工作；(3).當副變送(控制)器節(jié)點被采樣周期h2觸發(fā)時，將采用方式C進行工作；(4).當副變送(控制)器節(jié)點被控制信號u1(s)觸發(fā)時，將采用方式D進行工作；(5).當副變送(控制)器節(jié)點將控制信號u2(s)通過內(nèi)前向網(wǎng)絡通路向執(zhí)行器節(jié)點傳輸時，將采用方式E進行工作；(6).當執(zhí)行器節(jié)點被控制信號u2(s)觸發(fā)時，將采用方式F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 A1 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、；A2 主變送(控制)器節(jié)點被觸發(fā)后，對主被控對象Gjs)的輸出信號Yjs)和主被控 對象的預估模型Glm(s)的輸出信號ylm(s)進行采樣；A3 :對1(8)和ylni(s)實施相減運算，得到模型偏差信號Wl(s)； A4:將系統(tǒng)給定信號R(s)和叫⑷實施相減運算，得到外回路系統(tǒng)誤差信號e“s)；A5 對力⑷實施主控制器Ci(s)運算，得到控制信號Ul(s)；A6 將…⑷作為給定信號，作用于副控制器的預估算法C2m(s)與副被控對象的預估模 型G2m(s)構(gòu)成的反饋回路，其輸出為y。g2m(s)；A7 將ycg2m(s)作用于G2m(s)與Glm(s)，其輸出為叫⑷.
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B1 主變送(控制)器節(jié)點將控制信號Ul(s)，通過外前向網(wǎng)絡通路向副變送(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 C1 副變送(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h2 ；C2 副變送(控制)器節(jié)點被觸發(fā)后，對副被控對象G2(s)的輸出信號Y2(S)和副被控 對象的預估模型G2m(s)的輸出信號y2m(s)進行采樣；C3 :^Y2(s)和y2m(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D1 驅(qū)動信號…^)觸發(fā)副變送(控制)器節(jié)點，此時的副變送(控制)器節(jié)點工作于 事件驅(qū)動方式；D2 在副變送(控制)器節(jié)點中，將Ul(s)減去模型偏差信號w2(s)和預估模型G2m(s) 的輸出信號ye2m (s)，得到內(nèi)回路系統(tǒng)誤差信號e2 (s)；D3 針對e2 (s)，實施副控制器算法C2 (s)，其節(jié)點輸出的控制信號為u2 (s).
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E1 副變送(控制)器節(jié)點將控制信號u2(s)，通過內(nèi)前向網(wǎng)絡通路向執(zhí)行器節(jié)點傳輸.
7.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F的步驟包括 F1 執(zhí)行器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；F2 執(zhí)行器節(jié)點被控制信號1!2(8)觸發(fā)；F3 :將u2(s)作為驅(qū)動信號，對副被控對象62(8)實施控制;G2(s)的輸出信號為Y2(s)， 對主被控對象GJs)實施控制；F4:同時在執(zhí)行器節(jié)點中，完成G2m(s)的預估值y2ni(s)的計算.
8.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(^(8)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(采樣周期為比).
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于副變送(控制)器節(jié)點是由副變送器內(nèi)嵌 入副控制器C2(s)所組成，即副變送器和副控制器共用同一個節(jié)點；副變送器采用時間驅(qū) 動觸發(fā)工作方式(采樣周期為h2)，而副控制器采用事件驅(qū)動觸發(fā)工作方式(觸發(fā)信號為 Ui(s)).
10.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 (控制)器節(jié)點、執(zhí)行器節(jié)點、主被控對象和副被控對象等單元，各單元依照各自設定的工 作方式進行工作.
11.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)點到副變 送(控制)器節(jié)點之間外回路前向網(wǎng)絡通路的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡時延補償模 型，以及用真實的從副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間內(nèi)回路前向網(wǎng)絡通路的網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡時延補償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含網(wǎng)絡時延的補償 模型.
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)上免除對從主變送(控制)器節(jié)點 到副變送(控制)器節(jié)點之間，以及對從副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間網(wǎng)絡時 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(控制)器節(jié)點和執(zhí)行 器節(jié)點時鐘信號同步的要求.
13.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)絡時延補償方法的實施 與具體控制策略(^(8) ^P C2(s)的選擇無關(guān)，與具體網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇無關(guān).
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當主副被控對象Gjs)和62(8)與其預估 模型Glm(s)和G2m(s)相等，以及副控制器預估模型滿足C2m(s)等于C2(s)時，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡 串級控制系統(tǒng)前向通路隨機性網(wǎng)絡時延的完全補償，提高系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量.
15.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備，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)智能節(jié)點自帶的軟件資源，就 足以實現(xiàn)其補償功能.
16.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)絡數(shù)據(jù)；方式C適用于 副變送(控制)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(控制)器節(jié)點 實施控制算法；方式E適用于副變送(控制)器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；方式F適用于執(zhí)行器節(jié) 點實施驅(qū)動與控制功能。
全文摘要
本發(fā)明提出一種網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向網(wǎng)絡通路隨機性網(wǎng)絡時延補償方法，屬于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)技術(shù)領域。它采用真實的前向網(wǎng)絡通路節(jié)點之間的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸過程，代替其間網(wǎng)絡時延補償模型，免除對前向網(wǎng)絡通路節(jié)點之間網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸隨機性時延的測量、觀測、估計或辨識，免除對節(jié)點時鐘信號同步的要求。采用本方法可降低隨機性網(wǎng)絡時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質(zhì)量。本發(fā)明適用于主副被控對象數(shù)學模型已知，網(wǎng)絡可存在一定量的數(shù)據(jù)丟包，網(wǎng)絡僅存在于網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)前向通路中的隨機性網(wǎng)絡時延的動態(tài)補償與控制。
文檔編號H04L7/00GK101995870SQ201010552898
公開日2011年3月30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