專利名稱：網絡串級控制系統外反饋與內回路隨機性網絡時延補償法的制作方法
技術領域：
本發明涉及網絡串級控制系統中，外反饋與內回路網絡通路隨機性網絡時延的補 償方法，屬于網絡控制系統技術領域.
背景技術：
由變送器、控制器與執行器等節點通過實時通信網絡構成的閉環反饋控制系統稱 為網絡控制系統(Networked Control Systems, NCS).網絡控制系統最早于1998年出現在 美國馬里蘭大學Walsh的論著中，當時只用圖示方法說明了網絡化控制系統結構.與傳統 的點對點結構的系統相比，網絡控制系統具有成本低、易于信息共享、易于擴展維護、靈活 性大等優點，因此近幾年來被廣泛的應用于工業控制中.但由于網絡通信帶寬和承載能力 有限，數據的傳輸不可避免地存在網絡誘導時延、丟包等問題.由于工程實際控制問題中往往存在時滯和不確定性，而時滯的存在往往會降低系 統的性能甚至引起系統不穩定.網絡系統所特有的一些性質(如時變延遲、丟包等)，使得 對網絡控制系統的研究出現了一些新的問題.目前，國內外關于網絡控制系統的研究主要是針對單回路的控制系統，分別在網 絡時延恒定、時變或隨機，網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，有無數據包丟失等各種條件下，對其進行建模與穩定性分析，但鮮有論文對網絡串 級控制系統進行研究.控制回路通過實時網絡閉合的串級控制系統稱為網絡串級控制系 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.由于網絡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的網絡控制系統要復雜得多.內回路網絡時延將嚴重影 響內回路網絡控制系統的快速性和抗干擾能力，同時也將與外回路網絡時延一起對整個網 絡串級控制系統的穩定性和控制品質產生負面影響.對于網絡時延研究的難點在于(1)由于網絡時延與網絡拓撲結構、通信協議、網絡負載、網絡帶寬和數據包大小 等因素有關.對大于數個乃至數十個采樣周期的網絡時延，要建立準確的預測、估計或辨 識的數學模型，目前幾乎是不可能的.(2)發生在前一個節點向后一個節點傳輸網絡數據過程中的網絡時延，在前一個 節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生的網絡時延的準確 值.時延導致系統性能下降甚至造成系統不穩定，同時也給控制系統的分析與設計帶來困 難·(3)要滿足網絡串級控制系統中，不同分布地點的所有節點時鐘信號完全同步是 不現實的.針對網絡僅存在于外回路反饋通路以及整個內回路(反饋與前向通路)中的如圖 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.網絡串級控制系統外反饋與內回路隨機性網絡時延補償法，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).當主變送器節點將模型誤差信號W1(s)通過外反饋網絡通路向主(副)控制器節 點傳輸時，將采用方式B進行工作；(3).當副變送器節點被采樣周期Ii2觸發時，將采用方式C進行工作；(4).當副變送器節點將模型誤差信號W2(s)通過內反饋網絡通路向主(副)控制器節 點傳輸時，將采用方式D進行工作；(5).當主(副)控制器節點被模型誤差信號W1(s)或(和)W2(S)觸發時，將采用方式 E進行工作；(6).當主(副)控制器節點通過內前向網絡通路將控制信號1!2(s)向執行器節點傳輸 時，將采用方式F進行工作；(7).當執行器節點被控制信號U2(s)觸發時，將采用方式G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:主變送器節點被觸發后，對主被控對象G1 (s)的輸出信號Y1 (s)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 =^Y1(S)和ylm(s)實施相減運算，得到模型誤差信號W1 (s).
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 主變送器節點將模型誤差信號W1 (s)，通過外反饋網絡通路向主(副)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:副變送器節點被觸發后，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 副變送器節點將模型誤差信號w2(s)，通過內反饋網絡通路向主(副)控制器節點 傳輸.
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 主(副)控制器節點工作于事件驅動方式；E2:主(副)控制器節點被模型誤差信號W1 (s)或(和)W2(S)觸發； E3:將系統給定信號R(S) ^w1(S)和??！^⑷實施相減運算，得到外回路系統誤差信號 e“s)；E4 對^⑷實施主控制C1 (s)算法，得到控制信號U1 (s)；U1(S)作為給定信號，作用于副控制器預估算法C2m(S)與副被控對象預估模型 G2ffl(S)構成的負反饋回路，其輸出為y。g2m(s)；再將y。g2m(s)作用于Glm(s)，其輸出為叫⑷； E6 將U1(S)減去ye2m(s)和來自內反饋網絡通路的模型誤差信號w2(s)，得到內回路誤 差信號；^fe2(S)作用于副控制C2 (s)后，其輸出為u2(S).
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F1 主(副)控制器節點通過內前向網絡通路將控制信號U2(S)向執行器節點傳輸.
8.根據權利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式G的步驟包括Gl 執行器節點工作于事件驅動方式；G2 執行器節點被控制信號U2 (s)觸發；63: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，進 而改變G1 (s)的狀態，實現對G1 (s) %G2(S)的控制作用；G4:完成對G2m(S)的預估值y2m(s)的計算.
9.根據權利要求1所述的方法，其特征在于主(副)控制器節點是由主控制器內嵌入 副控制器所組成.即主控制器和副控制器共用同一個節點，構成主(副)控制器節點，并且 主(副)控制器節點采用事件驅動觸發工作方式(觸發信號為模型誤差信號W1 (s)或(和)W2(S)).
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器節點、副變送器節點、 主(副)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 的工作方式和功能進行工作.
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器節點到主(副)控制 器節點之間外回路反饋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；用真實 的從主(副)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；用真實的從副變送器節點到主(副)控制器節點之間內回路反饋 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器節點到主 (副)控制器節點之間，從主(副)控制器節點到執行器節點之間，以及從副變送器節點到 主(副)控制器節點之間網絡時延的測量、觀測、估計或辨識；免除對主變送器節點、副變送 器節點、主(副)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，其特征在于當主副被控對象G1(s) W2(S)與其預估模 型Glm(S)、(i2m(S)以及副控制器C2(s)與其預估模型C2m(s)相等時，可實現對網絡串級控制 系統外反饋與內回路網絡通路隨機性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適用于主變送器節點周期采樣并 對信號進行處理；方式B適用于主變送器節點傳輸網絡數據；方式C適用于副變送器節點 周期采樣并對信號進行處理；方式D適用于副變送器節點傳輸網絡數據；方式E適用于主 (副)控制器節點實施主(副)控制算法，并對信號進行處理；方式F適用于主(副)控制 器節點傳輸網絡數據；方式G適用于執行器節點對副被控對象(i2(S)實施控制，并對信號進 行處理。
全文摘要
本發明提出一種網絡串級控制系統外反饋與內回路隨機性網絡時延補償方法，屬于網絡控制系統技術領域。它采用真實的網絡串級控制系統外反饋網絡通路節點，以及內回路網絡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，免除對節點之間網絡數據傳輸隨機性時延的測量、觀測、估計或辨識，免除對節點時鐘信號同步的要求。采用本方法可降低隨機性網絡時延對系統穩定性的影響，改善系統控制性能質量。本發明適用于主副被控對象數學模型已知，網絡僅存在于網絡串級控制系統外反饋與內回路網絡通路中的隨機性網絡時延的動態補償與控制。
文檔編號H04L7/00GK102033530SQ20101055291
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