專利名稱：一種網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)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)：
隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變 化，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networked control systems,NCS)應(yīng)運而生.“網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”是指某 個區(qū)域現(xiàn)場傳感器、控制器、執(zhí)行器和通信網(wǎng)絡(luò)的集合，用以提供設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使 該區(qū)域內(nèi)不同地點的用戶實現(xiàn)資源共享和協(xié)調(diào)操作，是一種集通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)于一體 的全分布式、網(wǎng)絡(luò)化實時反饋控制系統(tǒng).這種網(wǎng)絡(luò)化的控制模式具有信息資源共享、連接 線數(shù)減少、易于擴(kuò)展和維護(hù)、高效率、高可靠性等優(yōu)點，同時也提高了系統(tǒng)的靈活性，維護(hù)和 故障診斷變得簡單方便.但是，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，信息的傳送不可避免地會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時延，時延的存在使 得系統(tǒng)性能變差，嚴(yán)重時甚至影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性.同時，由于網(wǎng)絡(luò)時延的未知性，使得網(wǎng) 絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計變得非常地困難.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(jī)，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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)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(yán)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(fù)面影響.對于網(wǎng)絡(luò)時延研究的難點在于(1)由于網(wǎng)絡(luò)時延與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(zhǔn)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(zhǔn)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)同時存在于所有前向與反饋通路中的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)如圖2所示，其 輸入R(s)與輸出Yjs)之間的閉環(huán)傳遞函為fnmi1 m=_C^e^C^e^G^G^s)_
L J R(s) 1 + C,(s)e-T'sC2(s)e-TlSG2(s)G,+ C2{s)evG2^ '式中:C“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；T工表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從主控制器節(jié)點傳輸?shù)礁笨刂破鞴?jié)點所產(chǎn)生的未知網(wǎng)絡(luò)時延； X 2表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從主變送器節(jié)點傳輸?shù)街骺刂破鞴?jié)點所產(chǎn)生的未知網(wǎng)絡(luò)時延；T 3表示 將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從副變送器節(jié)點傳輸?shù)礁笨刂破鞴?jié)點所產(chǎn)生的未知網(wǎng)絡(luò)時延；t4表示將網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)從副控制器節(jié)點傳輸?shù)綀?zhí)行器節(jié)點所產(chǎn)生的未知網(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^和T2，^和14的 指數(shù)項^和^，一和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(yán)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)將未知網(wǎng)絡(luò)時延^和T2， 13和14的指數(shù)項￡ 和61，廣-和^-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(jìn)而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償.然而，要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時 延的補(bǔ)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T工和T 2，T 3和T 4的測量，來補(bǔ)償時延T工和T 2，T 3和T 4對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.但 是，由于對網(wǎng)絡(luò)時延^和12，^和T4的準(zhǔn)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(jì)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(jìn)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(zhǔn)確概率分布，或準(zhǔn)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(fù)載大小以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(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，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(zhǔn)確的時延值，進(jìn)而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)所有 通路網(wǎng)絡(luò)中未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)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

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ) 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(zhǔn)”的難題，本發(fā)明提出了一種免除對 主變送器、主控制器、副變送器和執(zhí)行器節(jié)點時鐘信號同步的要求，同時也免除對網(wǎng)絡(luò)串級 控制系統(tǒng)中未知網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計或辨識的時延補(bǔ)償方法，實現(xiàn)對所有前向與反饋通 路中的網(wǎng)絡(luò)時延分段、實時、在線和動態(tài)的補(bǔ)償與控制.本發(fā)明采用的方法是第一步采用主變送器節(jié)點到主控制器節(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(bǔ)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(bǔ)償模型.無論從主變 送器節(jié)點到主控制器節(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(bǔ)償功能.第二步采用副變送器節(jié)點到副控制器節(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(bǔ)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(bǔ)償模型.無論從副變 送器節(jié)點到副控制器節(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(bǔ)償功能.第三步采用主控制器節(jié)點到副控制器節(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(bǔ)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(bǔ)償模型.無論從主控 制器節(jié)點到副控制器節(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(bǔ)償功能.第四步采用副控制器節(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(bǔ)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(bǔ)償模型，無論從副控制 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(bǔ)償功能.第五步針對圖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(bǔ)償結(jié) 構(gòu)如圖3所示.在圖3中，不包含主副被控對象的預(yù)估模型，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
「_ 你)_ e-^C^C^G^js)
R(s) 1 + C2 (s)G2 (s) + C, (s)C2 (s)G2 )G, (5)式(2)所示網(wǎng)絡(luò)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(luò)時延^和t2， 丁 3和x4的指數(shù)項，即實現(xiàn)了閉環(huán)特征方程1+C2 (s) G2 (s) (s) C2 (s) G2 (s) Gl (s) = 0中不 包含網(wǎng)絡(luò)時延的指數(shù)項，從而消除了網(wǎng)絡(luò)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)了對未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)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(xué)模型已知或不確知，系統(tǒng)存在未知干擾，網(wǎng)絡(luò)存 在一定量的數(shù)據(jù)丟包，網(wǎng)絡(luò)同時存在于網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)的所有前向與反饋通路中的未知 網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補(bǔ)償與控制.本發(fā)明的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、觸發(fā)時，將采用方式A進(jìn)行工作；2、當(dāng)主變送器節(jié)點將主被控對象&(8)的輸出信號Yjs)通過外反饋網(wǎng)絡(luò)通路向 主控制器節(jié)點傳輸時，將采用方式B進(jìn)行工作；3、當(dāng)副變送器節(jié)點被采樣周期h2觸發(fā)時，將采用方式C進(jìn)行工作；4、當(dāng)副變送器節(jié)點將副被控對象62(8)的輸出信號Yjs)通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路向 副控制器節(jié)點傳輸時，將采用方式D進(jìn)行工作；5、當(dāng)主控制器節(jié)點被信號1(8)觸發(fā)時，將采用方式E進(jìn)行工作；
6、當(dāng)主控制器節(jié)點通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路將誤差信號ei(s)向副控制器節(jié)點傳輸 時，將采用方式f進(jìn)行工作；7、當(dāng)副控制器節(jié)點被信號1(8)或(和)信號ei(s)所觸發(fā)時，將采用方式g進(jìn)行 工作；8、當(dāng)副控制器節(jié)點通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路將信號e2(s)向執(zhí)行器節(jié)點傳輸時，將采 用方式h進(jìn)行工作；9、當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點被信號e2(s)觸發(fā)時，將采用方式i進(jìn)行工作.方式a的步驟包括A1 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、；A2 主變送器節(jié)點被觸發(fā)后，對主被控對象& (s)的輸出信號A (s)進(jìn)行采樣.方式b的步驟包括b1 主變送器節(jié)點將信號yjs)，通過外反饋網(wǎng)絡(luò)通路向主控制器節(jié)點傳輸.方式c的步驟包括c1 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h2 ；c2 副變送器節(jié)點被觸發(fā)后，對副被控對象g2 (s)的輸出信號y2 (s)進(jìn)行采樣.方式d的步驟包括d1 副變送器節(jié)點將信號y2(s)，通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路向副控制器節(jié)點傳輸.方式e的步驟包括e1 主控制器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，并被來自外反饋網(wǎng)絡(luò)通路的信號yjs)觸 發(fā)；e2 將系統(tǒng)給定信號r(s)與yjs)相加減，得到外回路系統(tǒng)誤差信號力(s).方式f的步驟包括f1 主控制器節(jié)點將誤差信號ei(s)，通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路向副控制器節(jié)點傳輸.方式g的步驟包括g1 副控制器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，并被來自內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路的信號y2(s)或 (和)來自外前向網(wǎng)絡(luò)通路的信號ejs)觸發(fā)；g2:^ei(s)與信號y2(s)相加減，得到內(nèi)回路誤差信號62(8).方式h的步驟包括& 副控制器節(jié)點將誤差信號e2(s)，通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點傳輸.方式I的步驟包括II 執(zhí)行器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；12 執(zhí)行器節(jié)點被誤差信號e2 (s)觸發(fā)；13 將e2 (s)和a (s)相減，得到誤差信號e3 (s)；14 對e3 (s)實施主控制算法q (s)，得到控制信號Ul (s)；15 將Ul (s)和y2 (s)相減，得到誤差信號e4 (s)；I6d#e4(s)作用于副控制算法C2 (s)，得到控制信號u2 (s)；17 :^u2(s)作為驅(qū)動信號，對副被控對象62(8)實施控制；從而改變g2(s)的狀 態(tài)，進(jìn)而改變gi(s)的狀態(tài)，實現(xiàn)對&(8) %g2(s)的控制作用.10、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于系統(tǒng)包含主變送器節(jié)點、副變送器節(jié)點、主控制器節(jié)點、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(jìn)行工作.11、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于用所有真實的外回路網(wǎng)絡(luò)通路的數(shù) 據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)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(luò)時延的補(bǔ) 償模型.12、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于用所有真實的內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)通路的數(shù) 據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)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(luò)時延的補(bǔ) 償模型.13、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng) 所有節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時延的測量、觀測、估計或辨識.14、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng) 所有節(jié)點時鐘信號同步的要求.15、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)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(bǔ)償方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償方法的 實施與具體網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān).17、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于當(dāng)無需確知主副被控對象的數(shù)學(xué)模 型，從結(jié)構(gòu)上就可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外回路和內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)通路未知網(wǎng)絡(luò)時延的完全 補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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，就足以實現(xiàn)其補(bǔ)償功能.19、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式A適用于主變送器節(jié)點周期采 樣.20、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式B適用于主變送器節(jié)點傳輸網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù).21、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式C適用于副變送器節(jié)點周期采 樣.22、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式D適用于副變送器節(jié)點傳輸網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù).23、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式E適用于主控制器節(jié)點對信號 進(jìn)行處理.24、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式F適用于主控制器節(jié)點傳輸網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù).25、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式G適用于副控制器節(jié)點對信號 進(jìn)行處理.26、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式H適用于副控制器節(jié)點傳輸網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù).27、本發(fā)明所述的時延補(bǔ)償方法，其特征在于方式I適用于執(zhí)行器節(jié)點對副被控對象G2(s)實施控制，并對信號進(jìn)行處理.本發(fā)明具有如下優(yōu)點1、由于從結(jié)構(gòu)上免除了對內(nèi)外回路中，所有網(wǎng)絡(luò)通路未知網(wǎng)絡(luò)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(jìn)而避免了時延估計模型不準(zhǔn)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(bǔ)償誤差.2、由于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了與具體的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān)，因而既適用于采用有 線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)，亦適用于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)；既適用于 確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，亦適用于時變性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議.3、由于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了與具體的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān)，因而既適用于基于有 線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)，亦適用于基于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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(luò)串級控制系統(tǒng)的時延補(bǔ)償.4、由于從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了與具體的主(副)控制器的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(luò)串級控制系統(tǒng)，亦可用于采用智能控制或采用復(fù)雜控制策略的 網(wǎng)絡(luò)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(bǔ)償方法，因而在其實現(xiàn)過程中 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，就足以 實現(xiàn)其補(bǔ)償功能，因而可節(jié)省硬件投資，便于推廣和應(yīng)用.


圖1為網(wǎng)絡(luò)存在于內(nèi)外回路所有通路中的網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)方框圖.圖2為網(wǎng)絡(luò)存在于內(nèi)外回路所有通路中的網(wǎng)絡(luò)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(luò)串級控制系統(tǒng)所有網(wǎng)絡(luò)通路中，未知網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)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)，主被控對象(h)，主變送器(SD，外回路 反饋網(wǎng)絡(luò)通路，主控制器和)，外回路前向網(wǎng)絡(luò)通路；副變送器(s2)，內(nèi)回路反饋網(wǎng)絡(luò)通路， 副控制器(c2)，內(nèi)回路前向網(wǎng)絡(luò)通路，執(zhí)行器(A)，副被控對象(G2)等單元所組成.主變送器(SD節(jié)點采用時間驅(qū)動方式進(jìn)行工作，觸發(fā)周期為hp對主被控對象 (G:)實施周期采樣.主控制器(Q)節(jié)點采用事件驅(qū)動方式進(jìn)行工作，由主變送器O節(jié)點的輸出信號 通過外反饋網(wǎng)絡(luò)通路來觸發(fā).副控制器(C2)節(jié)點采用事件驅(qū)動方式進(jìn)行工作，由副變送器(S2)的輸出信號通過 內(nèi)回路反饋網(wǎng)絡(luò)通路，或(和)由主控制器(Q)節(jié)點的輸出信號通過外回路前向網(wǎng)絡(luò)通路 來觸發(fā).副變送器(S2)節(jié)點采用時間驅(qū)動方式進(jìn)行工作，觸發(fā)周期為h2，對副被控對象 (G2)實施周期采樣.執(zhí)行器(A)節(jié)點采用事件驅(qū)動方式進(jìn)行工作，由副控制器(C2)節(jié)點通過內(nèi)回路前 向網(wǎng)絡(luò)通路的控制信號來觸發(fā)，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從而改變副被控對象(G2)的狀態(tài)，進(jìn)而改變 主被控對象(Gi)的狀態(tài).
圖1中系統(tǒng)的主變送器(Si)節(jié)點，副變送器(S2)節(jié)點，主控制器(C》節(jié)點，副控制 器(c2)節(jié)點，以及執(zhí)行器(A)節(jié)點都是智能節(jié)點，不僅具備存貯運算功能與通信功能，而且 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(yīng)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(shè)備等硬件.在圖2的系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳輸過程中的未知網(wǎng)絡(luò)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(luò)串級控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)歷著從主變送器節(jié)點經(jīng)外反饋網(wǎng) 絡(luò)通路傳輸?shù)街骺刂破鞴?jié)點所產(chǎn)生的未知網(wǎng)絡(luò)時延t2，從主控制器節(jié)點經(jīng)外前向網(wǎng)絡(luò)通 路傳輸?shù)礁笨刂破鞴?jié)點所產(chǎn)生的未知網(wǎng)絡(luò)時延T工，從副控制器節(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)生的未知網(wǎng)絡(luò)時延T 3,以及從副變送器節(jié)點經(jīng)內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸 到副控制器節(jié)點所產(chǎn)生的未知網(wǎng)絡(luò)時延t4的影響.時延與具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大 小以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，對于網(wǎng)絡(luò)時延的測量、或估計、或觀測、或辨識已成為實 現(xiàn)對其補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵前提條件.然而，通過網(wǎng)絡(luò)連接的各個節(jié)點的分布性使得網(wǎng)絡(luò)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(luò)時延的未知和突發(fā)性， 要做到每一步都能準(zhǔn)確預(yù)測是不可能的.在圖3的系統(tǒng)中，既不包含從主變送器節(jié)點經(jīng)外反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)街骺刂破鞴?jié) 點之間的網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型，也不包含從主控制器節(jié)點經(jīng)外前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)礁笨刂破?節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型；同時也不包含從副控制器節(jié)點經(jīng)內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)綀?zhí) 行器節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型，以及從副變送器節(jié)點經(jīng)內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)礁笨刂?器節(jié)點之間的網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型.進(jìn)而免除了對未知網(wǎng)絡(luò)時延^和t2，13和14的測量、 估計、觀測或辨識，同時也免除了對(主變送器、副變送器、主控制器、副控制器、執(zhí)行器)節(jié) 點時鐘信號同步的要求.當(dāng)主副被控對象預(yù)估模型與其真實模型，以及副控制器及其預(yù)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Yjs)的閉環(huán)傳遞函數(shù)中， 將網(wǎng)絡(luò)時延^和t2，13和14的指數(shù)項￡，和^￥，廣“和^々從分母中消除，即實現(xiàn)閉環(huán)特 征方程中不包含網(wǎng)絡(luò)時延^和t2，13和14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)對未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償與控制.
具體實施例方式下面將通過參照附圖3詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實施例，使本領(lǐng)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)動方式的主變送器節(jié)點對主被控對象&(8)的輸出信號 Yjs)進(jìn)行周期采樣(采樣周期為h)；第二步主變送器節(jié)點將Yjs)通過外回路反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)街骺刂破鞴?jié)點；第三步工作于事件驅(qū)動方式的主控制器節(jié)點，被信號Yjs)所觸發(fā)；將系統(tǒng)給定 信號R(S)與仏)相加減，得到誤差信號力⑷；并將ei(s)通過外回路前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸 到副控制器節(jié)點；第四步工作于時間驅(qū)動方式的副變送器節(jié)點對副被控對象62(8)的輸出信號 Y2(S)進(jìn)行周期采樣(采樣周期為h2)；并將Y2(S)通過內(nèi)回路反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)礁笨刂?器節(jié)點；
第五步工作于事件驅(qū)動方式的副控制器節(jié)點，被信號ei(s)或(和)Y2(S)所觸 發(fā)；將ei(s) %Y2(S)相加減，得到誤差信號^⑷；將e2(s)通過內(nèi)回路前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí) 行器節(jié)點傳輸；第六步工作于事件驅(qū)動方式的執(zhí)行器節(jié)點，被e2(s)所觸發(fā)；將e2(s)與1(8)相 減，得到誤差信號e3(s)；對e3(s)實施控制算法Cjs)，其輸出為…⑷；將Ul (s)與Y2 (s)相 減，得到誤差信號e4(s)；對e4(s)實施控制算法C2(s)，其輸出為 ⑷；將u2(s)驅(qū)動執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，從而改變副被控對象G2(s)的狀態(tài)，進(jìn)而改變主被控對象&(8)的狀態(tài)；第七步返回第一步.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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi).本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償方法，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h觸發(fā)時，將采用方式A進(jìn)行工作；(2).當(dāng)主變送器節(jié)點將主被控對象&(8)的輸出信號Yjs)通過外反饋網(wǎng)絡(luò)通路向主 控制器節(jié)點傳輸時，將采用方式B進(jìn)行工作；(3).當(dāng)副變送器節(jié)點被采樣周期h2觸發(fā)時，將采用方式C進(jìn)行工作；(4).當(dāng)副變送器節(jié)點將副被控對象62(8)的輸出信號Yjs)通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路向副 控制器節(jié)點傳輸時，將采用方式D進(jìn)行工作；(5).當(dāng)主控制器節(jié)點被信號1(8)觸發(fā)時，將采用方式E進(jìn)行工作；(6).當(dāng)主控制器節(jié)點通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路將誤差信號ei(s)向副控制器節(jié)點傳輸時， 將采用方式F進(jìn)行工作；(7).當(dāng)副控制器節(jié)點被信號1(8)或(和)信號ei(s)所觸發(fā)時，將采用方式G進(jìn)行 工作；(8).當(dāng)副控制器節(jié)點通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路將信號62(8)向執(zhí)行器節(jié)點傳輸時，將采用 方式H進(jìn)行工作；(9).當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點被信號e2(s)觸發(fā)時，將采用方式I進(jìn)行工作.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式A的步驟包括 A1 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、；A2:主變送器節(jié)點被觸發(fā)后，對主被控對象Gjs)的輸出信號Yjs)進(jìn)行采樣.
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式B的步驟包括 B1 主變送器節(jié)點將信號A (s)，通過外反饋網(wǎng)絡(luò)通路向主控制器節(jié)點傳輸.
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式C的步驟包括 C1 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h2 ；C2:副變送器節(jié)點被觸發(fā)后，對副被控對象G2(s)的輸出信號Y2(S)進(jìn)行采樣.
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式D的步驟包括 D1 副變送器節(jié)點將信號Y2(s)，通過內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路向副控制器節(jié)點傳輸.
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式E的步驟包括E1 主控制器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，并被來自外反饋網(wǎng)絡(luò)通路的信號Yjs)觸發(fā)； E2 將系統(tǒng)給定信號R(s)與1(8)相加減，得到外回路系統(tǒng)誤差信號ei(s).
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式F的步驟包括F1 主控制器節(jié)點將誤差信號ei(s)，通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路向副控制器節(jié)點傳輸.
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式G的步驟包括G1 副控制器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，并被來自內(nèi)反饋網(wǎng)絡(luò)通路的信號Y2(s)或 (和)來自外前向網(wǎng)絡(luò)通路的信號ejs)觸發(fā)；G2 將力⑷與信號Y2(s)相加減，得到內(nèi)回路誤差信號e2(s).
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式H的步驟包括氏副控制器節(jié)點將誤差信號e2(s)，通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點傳輸.
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式I的步驟包括 II 執(zhí)行器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；(12執(zhí)行器節(jié)點被誤差信號e2(s)觸發(fā)；(13將e2(s)和Y“s)相減，得到誤差信號e3(s)；(14:將e3(s)實施主控制算法(^(8)，得到控制信號Ul(s)；(15將屮⑷禾PY2(s)相減，得到誤差信號e4(s)；(16將e4(s)作用于副控制算法C2(s)，得到控制信號u2(s)；(I7:將U2(s)作為驅(qū)動信號，對副被控對象62(8)實施控制；從而改變G2(S)的狀態(tài)，進(jìn) 而改變Gjs)的狀態(tài)，實現(xiàn)對^⑷%G2(S)的控制作用.
11.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、 主控制器節(jié)點、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(jìn)行工作.
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用所有真實的外回路網(wǎng)絡(luò)通路的數(shù)據(jù)傳 輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償模型；用所有真實的內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)通路的數(shù)據(jù)傳輸過程代替其 間網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)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(bǔ)償模型.
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)上免除對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò) 時延的測量、觀測、估計或辨識；免除對所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點時鐘信號同步的要求.
14.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(bǔ)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(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān).
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)無需確知主副被控對象的數(shù)學(xué)模型，從 結(jié)構(gòu)上就可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)外回路和內(nèi)回路網(wǎng)絡(luò)通路未知網(wǎng)絡(luò)時延的完全補(bǔ)償， 提高系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量.
16.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(bǔ)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，就 足以實現(xiàn)其補(bǔ)償功能.
17.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；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；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適用于主控制器節(jié)點對信號進(jìn)行處理；方式F適用 于主控制器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式G適用于副控制器節(jié)點對信號進(jìn)行處理；方式H適用 于副控制器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式I適用于執(zhí)行器節(jié)點對副被控對象G2(s)實施控制，并 對信號進(jìn)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)未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)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)所有前向與反饋網(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(bǔ)償模型，免除對節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸未知時延的測量、觀測、估計或辨識，免除對節(jié)點時鐘信號同步的要求.采用本方法可降低未知網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)控制性能品質(zhì).本發(fā)明適用于主副被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知，系統(tǒng)存在未知干擾，網(wǎng)絡(luò)存在一定量的數(shù)據(jù)丟包，網(wǎng)絡(luò)同時存在于網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)的所有前向與反饋通路中的未知網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補(bǔ)償與控制。
文檔編號G05B19/418GK102004480SQ20101055761
公開日2011年4月6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)