專利名稱：網絡串級控制系統前向通路未知網絡時延的補償方法
技術領域：
本發明涉及網絡串級控制系統前向通路未知網絡時延的補償方法，屬于網絡控制 系統技術領域.
背景技術：
網絡控制系統(Networked control systems,NCS)是指控制系統的各部件(變送 器、控制器和執行器等)通過通信網絡，連接構成的實時閉環控制系統.與以往點到點的控 制系統相比，網絡控制系統具有資源共享，易于安裝維護，低開銷等優點.然而，由于網絡 帶寬資源有限，網絡中不可避免的存在著網絡資源競爭和網絡擁塞等問題，從而導致數據 包丟失或傳輸時延等問題.在實際工業過程控制中，串級控制系統是除了單回路反饋控制之外應用最廣泛的 重要控制結構.串級控制系統屬于復雜控制系統，由于串級控制系統改善調節過程極為有 效，具有很好的控制性能，因而在實際工業生產過程控制和機器人控制等領域中獲得了廣 泛的應用.隨著集散控制系統和現場總線的廣泛應用，在串級控制系統中越來越多地通過 專用網絡或現場總線來傳輸實時控制信息.串級控制系統中控制回路是通過實時網絡閉 合的控制系統，稱之為網絡串級控制系統(NCCS)，適用于本發明的網絡串級控制系統的典 型結構框圖如

圖1所示.網絡串級控制系統是一類特殊的網絡控制系統，它充分結合了網絡控制系統和串 級控制系統的優點，不僅可以大大降低系統成本、提高系統診斷維護水平，還可以快速克服 內部擾動，提高系統工作頻率.因此，很有必要對網絡控制系統中的串級控制系統進行深 入的研究.由于網絡化串級控制系統是一個多閉環回路的網絡控制系統，對網絡時延影響的 分析與系統性能的研究遠比單回路網絡控制系統要復雜得多.但由于在內外閉環控制回 路中引入了網絡，不可避免地將產生網絡時延和數據包丟失.時延和數據丟包將降低控制 系統的性能，甚至導致系統不穩定.當網絡時延大于數個乃至數十個采樣周期時，國內外 至今尚無較好的控制策略或補償方法來滿足控制質量要求.針對網絡僅存在于主變送(控制)器節點與副變送(控制)器節點之間(外前向 網絡)，以及副變送(控制)器節點與執行器節點之間(內前向網絡)的如圖2所示的網絡 串級控制系統，其輸入R(S)與輸出Y1(S)之間的閉環傳遞函為
權利要求
1.網絡串級控制系統前向通路未知網絡時延的補償方法，其特征在于該方法包括以下 步驟(1).當主變送(控制)器節點被采樣周期hi觸發時，將采用方式A進行工作；(2).當主變送(控制)器節點將誤差信號A(S)通過外前向網絡通路向副變送(控 制)器節點傳輸時，將采用方式B進行工作；(3).當副變送(控制)器節點被采樣周期Ii2觸發時，將采用方式C進行工作；(4).當副變送(控制)器節點被誤差信號觸發時，將采用方式D進行工作；(5).當副變送(控制)器節點將誤差信號ei(s)通過內前向網絡通路向執行器節點傳 輸時，將采用方式E進行工作；(6).當執行器節點被信號ei(s)觸發時，將采用方式F進行工作.
2.根據權利要求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(控制)器節點工作于時間驅動方式，其觸發采樣周期為Ii1 ；A2 主變送(控制)器節點被觸發后，對主被控對象G1 (s)的輸出信號Y1 (s)進行采樣； A3 將系統給定信號R(S)與1(8)相加減，得到外回路誤差信號
3.根據權利要求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(控制)器節點將誤差信號，通過外前向網絡通路向副變送(控制) 器節點傳輸.
4.根據權利要求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(控制)器節點工作于時間驅動方式，其觸發采樣周期為Ii2 ；C2 副變送(控制)器節點被觸發后，對副被控對象G(S)的輸出信號進行采樣.
5.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式D的步驟包括Dl 誤差信號觸發副變送(控制)器節點，此時的副變送(控制)器節點工作于 事件驅動方式；D2 將e0 (s)與Y2 (s)相加減，得到誤差信號θι (s) ·
6.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式E的步驟包括El 副變送(控制)器節點將誤差信號ei (s)，通過內前向網絡通路向執行器節點傳輸.
7.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式F的步驟包括 Fl 執行器節點工作于事件驅動方式；F2 執行器節點被誤差信號ei(s)觸發；F3 將ei (s)與Y1 (s)相減，得到誤差信號e2 (s)；F4 對％ (s)實施控制算法C1 (s)，其輸出的控制信號為U1 (s)；F5 =^u1(S)與Y2(S)相減，得到誤差信號^(s)；F6 對e3 (s)實施控制算法C2 (s)，其輸出的控制信號為U2 (s)；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，進 而改變G1 (s)的狀態，實現對G1 (s) %G2(S)的控制作用.
8.根據權利要求1所述的方法，其特征在于主變送(控制)器節點是由主變送器內嵌 主控制器所組成，即主變送器和主控制器共用同一個節點，主變送(控制)器節點采用時間 驅動觸發工作方式(采樣周期為Ii1).
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于副變送(控制)器節點是由副變送器內嵌副控制器所組成，即副變送器和副控制器共用同一個節點，副變送器采用時間驅動觸發工 作方式(采樣周期為Ii2)，而副控制器采用事件驅動觸發工作方式(觸發信號為
10.根據權利要求1所述的方法，其特征在于系統包含主變送(控制)器節點、副變送 (控制)器節點、執行器節點、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.根據權利要求1所述的方法，其特征在于用真實的從主變送(控制)器節點到副變 送(控制)器節點之間外回路前向網絡通路的網絡數據傳輸過程代替其間網絡時延補償模 型，以及用真實的從副變送(控制)器節點到執行器節點之間內回路前向網絡通路的網絡 數據傳輸過程代替其間網絡時延補償模型，從而在結構上實現系統不包含網絡時延的補償 模型.
12.根據權利要求1所述的方法，其特征在于從結構上免除對從主變送(控制)器節點 到副變送(控制)器節點之間，以及副變送(控制)器節點到執行器節點之間網絡時延的 測量、觀測、估計或辨識；免除對主變送(控制)器節點、副變送(控制)器節點和執行器節 點時鐘信號同步的要求.
13.根據權利要求1所述的方法，其特征在于從結構上實現網絡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，與具體網絡通信協議的選擇無關.
14.根據權利要求1所述的方法，其特征在于無需確知主副被控對象的數學模型，就可 實現對網絡串級控制系統前向通路未知網絡時延的完全補償，提高系統的控制性能質量.
15.根據權利要求1所述的方法，其特征在于采用的是“軟”改變控制系統結構的補償 方法，無需再增加任何硬件設備，利用現有網絡串級控制系統智能節點自帶的軟件資源，就 足以實現其補償功能.
16.根據權利要求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)器節點傳輸網絡數據；方式C適用于 副變送(控制)器節點周期采樣并對信號進行處理；方式D適用于副變送(控制)器節點 對信號進行處理；方式E適用于副變送(控制)器節點傳輸網絡數據；方式F適用于執行器 節點實施控制與驅動功能。
全文摘要
本發明提出一種網絡串級控制系統前向通路未知網絡時延的補償方法，屬于網絡控制系統技術領域。它采用真實的前向通路節點之間的網絡數據傳輸過程，代替其間網絡時延補償模型，免除對前向通路節點之間網絡數據傳輸未知時延的測量、觀測、估計或辨識，免除對節點時鐘信號同步的要求.采用本方法可降低未知網絡時延對系統穩定性的影響，提高系統控制性能質量。本發明適用于主副被控對象數學模型已知或不確知，網絡存在一定量的數據丟包，網絡時延可大于數個乃至數十個采樣周期，網絡僅存在于網絡串級控制系統的前向通路中的未知網絡時延的動態補償與控制。
文檔編號H04L7/00GK102033529SQ20101055288
公開日2011年4月27日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者杜文才, 杜鋒 申請人:海南大學