專利名稱：網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路非確定性網(wǎng)絡(luò)時延補償法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)中，外反饋與內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)通路非確定性網(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)：
控制回路是通過實時網(wǎng)絡(luò)閉合的，稱之為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems,NCS).網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)因其可以大大減少系統(tǒng)布線，降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)可靠性 和靈活性，便于系統(tǒng)診斷和維護，在航空器、宇宙飛船、化工廠、電力系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到了廣 泛的應(yīng)用.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的一個重要特征是閉環(huán)控制回路中的傳感信息和控制信息均是通 過實時網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模捎诳刂苹芈分胁迦肓藢崟r網(wǎng)絡(luò)，不可避免地帶來了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和 數(shù)據(jù)包丟失等一系列問題.網(wǎng)絡(luò)時延的存在往往會降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定.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)時延研亢的難點在于(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)僅存在于外回路反饋通路以及整個內(nèi)回路反饋與前向通路中的如圖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
巡=___Cl(S)C2(S)e^G2(S)Gl(S)_R{s) — 1+C1 (s)C2(s)e"2SG2 (S)G1 (s)e_r|i +C^e^G^e^1 ‘
4
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)從主變送器節(jié)點經(jīng)外反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)街?副)控制器節(jié)點所 產(chǎn)生的非確定性網(wǎng)絡(luò)時延；τ2表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從主(副)控制器節(jié)點經(jīng)內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳 輸?shù)綀?zhí)行器節(jié)點所產(chǎn)生的非確定性網(wǎng)絡(luò)時延；τ3表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從副變送器節(jié)點經(jīng)內(nèi)反 饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)街?副)控制器節(jié)點所產(chǎn)生的非確定性網(wǎng)絡(luò)時延.由于等式(1)所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中包含網(wǎng)絡(luò)時延^，12和τ3的指數(shù) 項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)將非確定性網(wǎng)絡(luò)時延τ ” τ 2 和13的指數(shù)項^< 和6,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τ” 12和 τ3的測量，來補償時延T1, 12和τ 3對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.但是，由于對網(wǎng)絡(luò)時延τ” 12和τ3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(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)時延的準確概率 分布，或準確的數(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，如何免除對節(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)點之間準確的時延值，進而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級控制系 統(tǒng)外回路反饋通路以及整個內(nèi)回路反饋與前向通路中非確定性網(wǎng)絡(luò)時延的補償作用，已成 為網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)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)僅存在于外回路反饋通路， 以及整個內(nèi)回路反饋與前向通路中網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)非確定性網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)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”的難題，本發(fā)明提出了一種免除對 主變送器節(jié)點、主(副)控制器節(jié)點、副變送器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點時鐘信號同步的要求，同 時也免除對其節(jié)點之間(外回路反饋通路，以及整個內(nèi)回路反饋與前向通路中)，非確定性 網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計或辨識，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副變送器節(jié)點到主(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，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)點到主(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.第二步采用主(副)控制器節(jié)點到執(zhí)行器節(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，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(副)控制器節(jié)點到執(zhí)行器節(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.第三步采用主變送器節(jié)點到主(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，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 從主變送器節(jié)點到主(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.第四步針對圖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
權(quán)利要求
1.網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路非確定性網(wǎng)絡(luò)時延補償法，其特征在于該方法包 括以下步驟(1).當(dāng)主變送器節(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)主變送器節(jié)點將模型誤差信號W1(s)通過外反饋網(wǎng)絡(luò)通路向主(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)點將副被控對象G(S)的輸出信號通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路向主 (副)控制器節(jié)點傳輸時，將采用方式D進行工作；(5).當(dāng)主(副)控制器節(jié)點被W1(s)或(和H2 (s)觸發(fā)時，將采用方式E進行工作；(6).當(dāng)主(副)控制器節(jié)點通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路將誤差信號向執(zhí)行器節(jié)點傳輸 時，將采用方式F進行工作；(7).當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點被誤差信號觸發(fā)時，將采用方式G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:主變送器節(jié)點被觸發(fā)后，對主被控對象G1 (s)的輸出信號Y1 (s)和主被控對象的預(yù) 估模型Glm(S)的輸出信號ylm(s)進行采樣；A3 =^Y1(S)和ylm(s)實施相減運算，得到模型誤差信號W1 (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 主變送器節(jié)點將模型誤差信號W1 (s)，通過外反饋網(wǎng)絡(luò)通路向主(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)的輸出信號進行采樣.
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)點將副被控對象G(S)的輸出的采樣信號，通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路 向主(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 主(副)控制器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；E2:主(副)控制器節(jié)點被W1 (s)或(和)Y2 (s)觸發(fā)；E3:將系統(tǒng)給定信號R(S) ^w1(S)和??！^⑷實施相減運算，得到外回路系統(tǒng)誤差信號 e“s)；E4 對力⑷實施主控制器C1 (s)運算，得到控制信號U1 (s)；U1(S)作為給定信號，作用于副控制器預(yù)估算法C2m(S)與副被控對象預(yù)估模型 G2ffl(S)構(gòu)成的負反饋回路，其輸出為Y。g2m(s)；再將Y。g2m(s)作用于Glm(s)，其輸出為叫⑷； E6 Jfu1(S)與來自內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路的相加減，得到內(nèi)回路誤差信號
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 主(副)控制器節(jié)點通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路將誤差信號向執(zhí)行器節(jié)點傳輸.
8.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G的步驟包括 Gl 執(zhí)行器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；G2 執(zhí)行器節(jié)點被誤差信號觸發(fā)；G3 :^e2(s)與來自現(xiàn)場副變送器的信號相減，得到誤差信號^(s)；G4 對 ⑷進行C2 (s)控制運算，其輸出信號為U2(S)；65:將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)與G2的控制作用·
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于主(副)控制器節(jié)點是由主控制器C1(S) 內(nèi)嵌入副控制器(2(8)所組成.即主控制器和副控制器共用同一個節(jié)點，構(gòu)成主(副)控制 器節(jié)點，并且主(副)控制器節(jié)點采用事件驅(qū)動觸發(fā)工作方式(觸發(fā)信號為信號W1 (S)或 (和 K2(S)).
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于系統(tǒng)包含主變送器節(jié)點、副變送器節(jié)點、 主(副)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(shè)定 的工作方式和功能進行工作.
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器節(jié)點到主(副)控制 器節(jié)點之間外回路反饋網(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；用真實 的從主(副)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(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；用真實的從副變送器節(jié)點到主(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.
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)上免除對從主變送器節(jié)點到主 (副)控制器節(jié)點之間，從主(副)控制器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間，以及從副變送器節(jié)點到 主(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；免除對主變送器節(jié)點、副變送 器節(jié)點、主(副)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(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).
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)主副被控對象G1(s)、(i2(S)與其預(yù)估 模型Glm(s)、(i2m(S)相等和副控制器C2(s)與其預(yù)估模型C2m(s)相等時，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級 控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)通路非確定性網(wǎng)絡(luò)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(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，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適用于主 (副)控制器節(jié)點實施控制算法，并對信號進行處理；方式F適用于主(副)控制器節(jié)點傳 輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式G適用于執(zhí)行器節(jié)點對副被控對象(i2(S)實施控制，并對信號進行處理。
全文摘要
本發(fā)明提出一種網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路非確定性網(wǎng)絡(luò)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)外反饋網(wǎng)絡(luò)通路節(jié)點，以及內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)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)傳輸非確定性時延的測量、觀測、估計或辨識，免除對節(jié)點時鐘信號同步的要求。采用本方法可降低非確定性網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高系統(tǒng)控制性能質(zhì)量。本發(fā)明適用于主副被控對象數(shù)學(xué)模型已知，網(wǎng)絡(luò)時延可大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期，網(wǎng)絡(luò)僅存在于網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)通路中的非確定性網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補償與控制。
文檔編號H04L12/24GK102063106SQ20101055296
公開日2011年5月18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)