專利名稱：網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路時變網(wǎng)絡時延補償法的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)中，外反饋與內(nèi)回路網(wǎng)絡通路時變網(wǎng)絡時延的補償 方法，屬于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)技術領域.背景技術
反饋回路通過網(wǎng)絡連接的實時分布式控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(Networked Control Systems, NCS).這種系統(tǒng)在大型工業(yè)過程控制系統(tǒng)、樓宇自動化、智能車輛系統(tǒng)、 航天器、艦船以及遠程操作機器人等領域正在或將要得到應用.
NCS可實現(xiàn)資源共享和遠程操作與控制，具有較高的診斷能力，安裝與維護簡便， 能有效減少系統(tǒng)的重量和體積，提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性.但是，NCS在通過共享網(wǎng)絡資 源給控制系統(tǒng)帶來各種便利的同時，也給系統(tǒng)和控制理論的研究帶來了新的挑戰(zhàn).網(wǎng)絡時 延、丟包與多包傳輸問題使得網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的分析變得更加復雜.其中控制器、執(zhí)行器和 變送器之間的時延是由信道競爭、物理信號編碼和通信協(xié)議處理等帶來的額外開銷.時延 在不同程度上降低了系統(tǒng)的控制性能，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定.尤其當網(wǎng)絡上存在多個控 制回路時，網(wǎng)絡時延會使各回路之間產(chǎn)生耦合，從而使網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的分析和設計更加復 雜.因此，網(wǎng)絡時延是NCS分析與設計的關鍵因素之一，必須盡量減小時延，降低其不確定 性，以克服其對控制系統(tǒng)的不利影響.
目前，國內(nèi)外關于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究主要是針對單回路的控制系統(tǒng)，對網(wǎng)絡串 級控制系統(tǒng)的研究較少.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)的典型結構框圖如

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)定性和控制品質產(chǎn)生負面影響.
對于網(wǎng)絡時延研究的難點在于
(1)由于網(wǎng)絡時延與網(wǎng)絡拓撲結構、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.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rnmi1_c,⑷ C2(W2G)C ,⑷_L 」 R(s) 1 + C1 (S)C2 (s)e-f2SG2 (S)G1 (s)e_r|S + C2 (s)eT2SG2 (s)e'TiS
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)絡數(shù)據(jù)從主變送器節(jié)點經(jīng)外反饋網(wǎng)絡通路傳輸?shù)街?副)控制器節(jié)點所 產(chǎn)生的時變網(wǎng)絡時延；τ2表示將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)從主(副)控制器節(jié)點經(jīng)內(nèi)前向網(wǎng)絡通路傳輸?shù)?執(zhí)行器節(jié)點所產(chǎn)生的時變網(wǎng)絡時延；τ3表示將網(wǎng)絡數(shù)據(jù)從副變送器節(jié)點經(jīng)內(nèi)反饋網(wǎng)絡通 路傳輸?shù)街?副)控制器節(jié)點所產(chǎn)生的時變網(wǎng)絡時延.
由于等式(1)所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中包含網(wǎng)絡時延^，12和τ3的指數(shù) 項e ，廣”和廣^時延的存在將惡化系統(tǒng)的控制性能質量，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)定性影響的關鍵，就在于能否實現(xiàn)將時變網(wǎng)絡時延τ” 12和 13的指數(shù)項e ，^,和廣-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)絡時延^，τ2 和τ 3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 拓撲結構等因素有關，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)外回 路反饋通路以及整個內(nèi)回路反饋與前向通路中時變網(wǎng)絡時延的補償作用，已成為網(wǎng)絡串級 控制系統(tǒng)中需要解決的關鍵問題之一.發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種涉及網(wǎng)絡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)絡串級控制系統(tǒng)時變網(wǎng)絡時延的動態(tài)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 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)，時變網(wǎng)絡 時延的測量、估計或辨識，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
第一步采用副變送器節(jié)點到主(副)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，在結構上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡時延的補償模型.無論 從副變送器節(jié)點到主(副)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.
第二步采用主(副)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，在結構上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡時延的補償模型.無論從 主(副)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)絡數(shù)據(jù)傳輸過程 代替其間網(wǎng)絡時延的補償模型，在結構上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡時延的補償模型.無論 從主變送器節(jié)點到主(副)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.
第四步針對圖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 構如圖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
權利要求
1.網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路時變網(wǎng)絡時延補償法，其特征在于該方法包括以 下步驟(1).當主變送器節(jié)點被采樣周期hi觸發(fā)時，將采用方式A進行工作；(2).當主變送器節(jié)點將主被控對象G1(s)的輸出信號Y1(S)通過外反饋網(wǎng)絡通路向主 (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).當副變送器節(jié)點將模型誤差信號W2(s)通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡通路向主(副)控制器節(jié) 點傳輸時，將采用方式D進行工作；(5).當主(副)控制器節(jié)點被Y1(S)或(和)W2(S)觸發(fā)時，將采用方式E進行工作；(6).當主(副)控制器節(jié)點通過內(nèi)前向網(wǎng)絡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)進行采樣.
3.根據(jù)權利要求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)點將信號Y1 (s)，通過外反饋網(wǎng)絡通路向主(副)控制器節(jié)點傳輸.
4.根據(jù)權利要求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)的輸出信號和副被控對象的預 估模型(^2m(S)的輸出信號Yail(S)進行采樣；C3 :^Y2(s)和yail(s)實施相減運算，得到模型誤差信號W2 (s).
5.根據(jù)權利要求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)點將模型誤差信號w2(s)，通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡通路向主(副)控制器節(jié)點 傳輸.
6.根據(jù)權利要求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)點工作于事件驅動方式；E2 主(副)控制器節(jié)點被Y1 (s)或w2 (s)觸發(fā)；E3 將系統(tǒng)給定信號R(S) ^Y1(S)相加減，得到誤差信號力(s)；E4 將信號ei (s)減去W2 (s)，得到誤差信號％ (s).
7.根據(jù)權利要求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)絡通路將誤差信號向執(zhí)行器節(jié)點傳輸.
8.根據(jù)權利要求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)場主變送器的信號Y1(S)相減，得到誤差信號^(s)； G4 對 ⑷進行C1 (s)控制運算，其輸出信號為U1 (s)； G5 將U1(S)與自現(xiàn)場副變送器的信號信號相減，得到誤差信號％(s)； G6 對^⑷進行C2 (s)控制運算，其輸出信號為U2(S)；67:將U2(S)作為驅動信號，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) %G2(S)的控制作用；同時，在節(jié)點中完成G2m(S)預估值 Y2ffl (s)的計算.
9.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于主(副)控制器節(jié)點是由主控制器內(nèi)嵌入 副控制器所組成.即主控制器和副控制器共用同一個節(jié)點，構成主(副)控制器節(jié)點，并且 主(副)控制器節(jié)點采用事件驅動觸發(fā)工作方式(觸發(fā)信號為信號Y1(S)或(和)W2(S)).
10.根據(jù)權利要求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，各單元依照各自設定 的工作方式和功能進行工作.
11.根據(jù)權利要求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；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；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，從而在結構上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含 網(wǎng)絡時延的補償模型.
12.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于從結構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)權利要求1所述的方法，其特征在于從結構上實現(xiàn)網(wǎng)絡時延補償方法的實施 與具體控制策略Cl (S)和C2(s)的選擇無關，與具體網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇無關.
14.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于當副被控對象h(s)與其預估模型G2m(S) 相等時，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路網(wǎng)絡通路時變網(wǎng)絡時延的完全補償， 提高系統(tǒng)的控制性能質量.
15.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于采用的是“軟”改變控制系統(tǒng)結構的補償 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.
17.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于方式B適用于主變送器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡數(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)絡數(shù)據(jù)；方式E適用于主(副)控制器節(jié)點對信號進行處理；方式F適用于主(副) 控制器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；方式G適用于執(zhí)行器節(jié)點對副被控對象G(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)絡串級控制系統(tǒng)外反饋與內(nèi)回路時變網(wǎng)絡時延補償方法，屬于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)技術領域。它采用真實的網(wǎng)絡串級控制系統(tǒng)外反饋網(wǎng)絡通路節(jié)點，以及內(nèi)回路網(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，免除對節(jié)點之間網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸時變時延的測量、觀測、估計或辨識，免除對節(jié)點時鐘信號同步的要求。采用本方法可降低時變網(wǎng)絡時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)控制性能質量。本發(fā)明適用于主被控對象數(shù)學模型已知或不確知，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)外反饋與內(nèi)回路網(wǎng)絡通路中的時變網(wǎng)絡時延的動態(tài)補償與控制。
文檔編號H04L7/00GK102033534SQ20101055753
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權日2010年11月18日
發(fā)明者杜文才, 杜鋒 申請人:海南大學