本發(fā)明應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種適用于IEEE1588時鐘同步系統(tǒng)的基于反饋控制技術(shù)的時鐘同步方法。
背景技術(shù)：
：在網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)中存在大量的測量和控制節(jié)點，節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)以完成相應(yīng)的任務(wù)，因此，為保證系統(tǒng)正常運行，各節(jié)點之間需要一個統(tǒng)一的時鐘節(jié)拍。系統(tǒng)中各節(jié)點由相互獨立的時鐘驅(qū)動，構(gòu)成各時鐘的晶體振蕩器無法保持一致，導(dǎo)致各節(jié)點之間存在時鐘偏差，因此需要設(shè)計時鐘同步算法保持各節(jié)點時鐘一致。目前，應(yīng)用于時鐘同步的協(xié)議有GPS協(xié)議(GlobalPositioningSystemProtocol,GPSP)、網(wǎng)絡(luò)時鐘協(xié)議(NetworkTimeProtocol,NTP)和IEEE1588協(xié)議。GPS協(xié)議具有高精度的優(yōu)點，但是應(yīng)用成本較高；NTP協(xié)議采用應(yīng)用層的同步方法，同步精度只能達(dá)到毫秒級，不能夠滿足控制系統(tǒng)高速高精度的要求；IEEE1588是一種物理層時鐘同步協(xié)議，該協(xié)議能夠使時鐘同步精度達(dá)到亞微妙級，并且還能通過硬件輔助設(shè)備和時鐘同步算法達(dá)到更高的同步精度。在網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)中，各節(jié)點時鐘之間晶振和電路的差異經(jīng)時間積累產(chǎn)生時鐘偏差。為了消除時鐘偏差，在基于IEEE1588的網(wǎng)絡(luò)化分布式控制系統(tǒng)中，應(yīng)用反饋控制的思想，設(shè)定其中一個節(jié)點的時鐘為參考時鐘，即主時鐘，并基于主從節(jié)點消息包交換的時間戳信息得到時鐘偏差，從時鐘根據(jù)時鐘偏差調(diào)整自身晶振頻率，使從時鐘的時間跟蹤主時鐘的時間，實現(xiàn)時鐘同步。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，許雄等人于2013年在期刊IEEETransactionsonIndustrialInformatics上發(fā)表了一篇題為“Anewtimesynchronizationmethodforreducingquantizationerroraccumulationoverreal-timenetworks:Theoryandexperiments”(一種新的解決實時網(wǎng)絡(luò)中量化誤差累積的時鐘同步方法：原理和實驗)的文章，提出了應(yīng)用卡爾曼濾波方法實現(xiàn)時鐘同步。但是，應(yīng)用卡爾曼濾波方法的前提是假設(shè)噪聲均是高斯分布的，然而在實際中，造成主從時鐘之間時鐘偏差的晶振頻率漂移和時間戳量化誤差這兩種噪聲并非完全是高斯分布的，因此卡爾曼濾波不一定適用。目前尚未有針對晶振頻率漂移和時間戳量化誤差是非高斯分布情況的時鐘同步方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有的IEEE1588時鐘同步方法中，無法很好地消除非高斯分布的晶振頻率漂移和時間戳量化誤差對時鐘同步精度的影響，本發(fā)明提供一種適用于IEEE1588時鐘同步系統(tǒng)的基于干擾觀測反饋控制技術(shù)的時鐘同步方法，消除了非高斯分布的晶振頻率漂移和時間戳量化誤差對時鐘同步精度的影響，使得時鐘同步精度達(dá)到納秒級。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于干擾觀測反饋控制技術(shù)的IEEE1588時鐘同步方法，所述方法包括如下步驟：步驟1)首先由最佳主時鐘算法確定主從層次結(jié)構(gòu)，主時鐘節(jié)點的時間作為參考時間，其余時鐘節(jié)點為從時鐘節(jié)點；步驟2)主從時鐘之間周期性交換消息包，根據(jù)接收到消息包的時間戳之間的差值計算出主從時鐘之間的時鐘偏差，過程如下：所述的消息包包括同步消息包Sync、跟隨消息包FollowUp、延遲測量請求消息包DelayReq和延遲測量響應(yīng)消息包DelayResq，時間戳通過帶時間戳管理功能的物理層收發(fā)器模塊在消息包到達(dá)物理層時獲得時間戳信息，包括主時鐘發(fā)送同步消息包的時間戳tm1、從時鐘收到同步消息包的時間戳ts1、從時鐘發(fā)送延遲測量請求消息包的時間戳ts2、主時鐘收到延遲測量請求消息包的時間戳tm2，時鐘偏差Toffset通過以下公式獲得：Toffset=(ts1-tm1)-(tm2-ts2)2]]>步驟3)選擇從時鐘的時間作為狀態(tài)變量，建立頻率補償時鐘的狀態(tài)空間模型，其輸入是根據(jù)時鐘偏差計算得到的頻率補償值與頻率補償初值之和，輸出是從時鐘時間；步驟4)將影響時鐘同步精度的不確定因素歸結(jié)為"總和擾動"并擴張為新的狀態(tài)變量，所述不確定因素包括晶振頻率漂移和時間戳量化誤差，建立頻率補償時鐘的擴張狀態(tài)空間模型；所述的“總和擾動”為f＝(kc-b0)u+w，f為擴張的狀態(tài)變量，其中(kc-b0)u為晶振頻率漂移造成的“內(nèi)部擾動”，w為時間戳量化誤差造成的“外部擾動，b0≈kc是對不確定時鐘常數(shù)kc的估計值；步驟5)利用擴張狀態(tài)觀測器計算得到的從時鐘時間估計值來設(shè)計反饋控制律，根據(jù)時鐘偏差計算頻率補償值，從時鐘根據(jù)頻率補償值實時調(diào)整自身的頻率，最終達(dá)到主從時鐘同步的目的。進(jìn)一步，在步驟1)中，時間節(jié)點采用透明時鐘。在時鐘偏差的測量過程中采用透明時鐘可消除通信鏈路不對稱對時鐘偏差測量值的影響。更進(jìn)一步，在步驟3)中，頻率補償時鐘內(nèi)置晶體振蕩器用于產(chǎn)生工作時鐘,該時鐘通過頻率補償值實現(xiàn)頻率補償功能,使得普通的晶振也能用于高精度的時鐘同步，該頻率補償時鐘包括32位加數(shù)寄存器、32位累加寄存器、32位亞秒寄存器、32秒寄存器和增量寄存器，頻率補償初值取決于從時鐘晶振頻率fPLL和標(biāo)稱頻率f0，通過以下公式獲得：u[0]=232f0fPLL]]>在步驟5)中，所述的擴張狀態(tài)觀測器能夠?qū)臅r鐘的時間和“總和擾動”同時進(jìn)行估計，所設(shè)計的反饋控制律為比例控制律。所述步驟3)中，頻率補償時鐘的模型由如下微分方程描述：y·=kcu---(2)]]>其中，輸入u為頻率補償初值與頻率補償值之和，輸出y為從時鐘時間。選擇從時鐘時間作為狀態(tài)變量x，并考慮時間戳量化誤差w，頻率補償時鐘的狀態(tài)空間模型如下：x·=kcu+wy=x---(3)]]>把方程(2)重新表示為：x·=(kc-b0)u+b0u+wy=x---(4)]]>其中b0≈kc，是對不確定時鐘常數(shù)kc的估計值，f＝(kc-b0)u+w為包含晶振頻率漂移和時間戳量化誤差在內(nèi)的“總和擾動”，(kc-b0)u為晶振漂移造成的“內(nèi)部擾動”，w為時間戳量化誤差造成的“外部擾動；所述步驟5)中，將“總和擾動”擴張為系統(tǒng)的狀態(tài)變量x2＝f，設(shè)總和擾動的變化率有界，并記為令x1為原系統(tǒng)狀態(tài)變量x，進(jìn)而，由式(4)得到如下擴張狀態(tài)空間模型：x·=Ax+BU+Ehy=Cx---(5)]]>其中x=x1x2,A=0100,B=b00,C=10,E=01]]>對于二階擴張狀態(tài)空間模型(4)，線性擴張狀態(tài)觀測器設(shè)計如下：z·=Az+Bu+L(y-y^)y^=Cz---(6)]]>其中，L＝[β1β2]是待整定的觀測器增益矩陣，β1和β2是觀測器增益，z＝[z1z2]，z1和z2分別是從時鐘時間x1和“總和擾動”x2的估計值；控制律設(shè)計如下：u0＝kp(r-z1)(7)u＝(u0-z2)/b0(8)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：時鐘同步過程中不需要假設(shè)晶振頻率漂移和時間戳量化誤差是高斯分布的，而是通過擴張狀態(tài)觀測器將兩者擴張成“總和擾動”進(jìn)行估計，通過設(shè)計反饋控制律消除非高斯分布的晶振頻率漂移和時間戳量化誤差對時鐘同步精度的影響，克服了卡爾曼濾波只對高斯分布的噪聲具有良好濾波效果的局限性。附圖說明圖1是IEEE1588時鐘同步原理圖。圖2是頻率調(diào)整時鐘示意圖。圖3是基于干擾觀測反饋控制技術(shù)的時鐘同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖4是IEEE1588同步方法的同步精度比較圖，其中，(a)采用許雄等人提出的現(xiàn)有的時鐘同步方法，(b)采用的是本發(fā)明提出的時鐘同步方法。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清晰，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。參照圖1～圖4，一種基于干擾觀測反饋控制技術(shù)的IEEE1588時鐘同步方法，所述方法包括如下步驟：步驟1)首先由最佳主時鐘算法確定主從層次結(jié)構(gòu)，主時鐘節(jié)點的時間作為參考時間，其余時鐘節(jié)點為從時鐘節(jié)點；步驟2)主從時鐘之間周期性交換消息包，根據(jù)接收到消息包的時間戳之間的差值計算出主從時鐘之間的時鐘偏差，過程如下：所述的消息包包括同步消息包Sync、跟隨消息包FollowUp、延遲測量請求消息包DelayReq和延遲測量響應(yīng)消息包DelayResq，時間戳通過帶時間戳管理功能的物理層收發(fā)器模塊在消息包到達(dá)物理層時獲得時間戳信息，包括主時鐘發(fā)送同步消息包的時間戳tm1、從時鐘收到同步消息包的時間戳ts1、從時鐘發(fā)送延遲測量請求消息包的時間戳ts2、主時鐘收到延遲測量請求消息包的時間戳tm2，時鐘偏差Toffset通過以下公式獲得：Toffset=(ts1-tm1)-(tm2-ts2)2]]>步驟3)選擇從時鐘的時間作為狀態(tài)變量，建立頻率補償時鐘的狀態(tài)空間模型，其輸入是根據(jù)時鐘偏差計算得到的頻率補償值與頻率補償初值之和，輸出是從時鐘時間；步驟4)將影響時鐘同步精度的不確定因素歸結(jié)為"總和擾動"并擴張為新的狀態(tài)變量，所述不確定因素包括晶振頻率漂移和時間戳量化誤差，建立頻率補償時鐘的擴張狀態(tài)空間模型；所述的“總和擾動”為f＝(kc-b0)u+w，f為擴張的狀態(tài)變量，其中(kc-b0)u為晶振頻率漂移造成的“內(nèi)部擾動”，w為時間戳量化誤差造成的“外部擾動，b0≈kc是對不確定時鐘常數(shù)kc的估計值；步驟5)利用擴張狀態(tài)觀測器計算得到的從時鐘時間估計值來設(shè)計反饋控制律，根據(jù)時鐘偏差計算頻率補償值，從時鐘根據(jù)頻率補償值實時調(diào)整自身的頻率，最終達(dá)到主從時鐘同步的目的。進(jìn)一步，在步驟1)中，時間節(jié)點采用透明時鐘。在時鐘偏差的測量過程中采用透明時鐘可消除通信鏈路不對稱對時鐘偏差測量值的影響。更進(jìn)一步，在步驟3)中，頻率補償時鐘內(nèi)置晶體振蕩器用于產(chǎn)生工作時鐘,該時鐘通過頻率補償值實現(xiàn)頻率補償功能,使得普通的晶振也能用于高精度的時鐘同步，該頻率補償時鐘包括32位加數(shù)寄存器、32位累加寄存器、32位亞秒寄存器、32秒寄存器和增量寄存器，頻率補償初值取決于從時鐘晶振頻率fPLL和標(biāo)稱頻率f0，通過以下公式獲得：u[0]=232f0fPLL]]>在步驟5)中，所述的擴張狀態(tài)觀測器能夠?qū)臅r鐘的時間和“總和擾動”同時進(jìn)行估計，所設(shè)計的反饋控制律為比例控制律。所述步驟3)中，頻率補償時鐘的模型由如下微分方程描述：y·=kcu---(2)]]>其中，輸入u為頻率補償初值與頻率補償值之和，輸出y為從時鐘時間。選擇從時鐘時間作為狀態(tài)變量x，并考慮時間戳量化誤差w，頻率補償時鐘的狀態(tài)空間模型如下：x·=kcu+wy=x---(3)]]>把方程(2)重新表示為：x·=(kc-b0)u+b0u+wy=x---(4)]]>其中b0≈kc，是對不確定時鐘常數(shù)kc的估計值，f＝(kc-b0)u+w為包含晶振頻率漂移和時間戳量化誤差在內(nèi)的“總和擾動”，(kc-b0)u為晶振漂移造成的“內(nèi)部擾動”，w為時間戳量化誤差造成的“外部擾動；所述步驟5)中，將“總和擾動”擴張為系統(tǒng)的狀態(tài)變量x2＝f，設(shè)總和擾動的變化率有界，并記為令x1為原系統(tǒng)狀態(tài)變量x，進(jìn)而，由式(4)得到如下擴張狀態(tài)空間模型：x·=Ax+Bu+Ehy=Cx---(5)]]>其中x=x1x2,A=0100,B=b00,C=10,E=01]]>對于二階擴張狀態(tài)空間模型(4)，線性擴張狀態(tài)觀測器設(shè)計如下：z·=Az+Bu+L(y-y^)y^=Cz---(6)]]>其中，L＝[β1β2]是待整定的觀測器增益矩陣，β1和β2是觀測器增益，z＝[z1z2]，z1和z2分別是從時鐘時間x1和“總和擾動”x2的估計值；控制律設(shè)計如下：u0＝kp(r-z1)(7)u＝(u0-z2)/b0(8)。如圖1所示，主時鐘周期性發(fā)送同步消息包(Sync)，在本實施例中，時鐘同步周期Tsync＝1s。tm1代表主時鐘發(fā)送同步消息包的時間戳，ts1代表從時鐘收到同步消息包的時間戳，同時主時鐘發(fā)送跟隨消息包(FollowUp)，從時鐘從跟隨消息包中獲得tm1。從時鐘隨后發(fā)送延遲測量請求消息包(DelayReq)，發(fā)送時間戳記為ts2，主時鐘收到消息包后發(fā)送延遲測量響應(yīng)消息包(DelayResq)，該消息包包含主時鐘收到延遲測量請求消息包的時間戳tm2。時鐘偏差具體通過以下公式獲得：Toffset=(ts1-tm1)-(tm2-ts2)2---(1)]]>如圖2所示，從時鐘除了有系統(tǒng)時間計數(shù)的功能以外，還要有頻率補償?shù)墓δ?。在本實施例?從時鐘實質(zhì)為一個頻率補償時鐘,主要由一個32位秒時鐘計數(shù)器、一個32位亞秒寄存器、一個32位累加器、一個32位加數(shù)寄存器和一個增量寄存器構(gòu)成。從時鐘的時間是由讀取秒寄存器和亞秒寄存器中數(shù)值得到的，增量寄存器中儲存每次累加到亞秒寄存器的值。時鐘源頻率選擇50MHz，與主時鐘相同。在每個時鐘周期內(nèi)，加數(shù)寄存器中的值與累加寄存器中的值相加，結(jié)果儲存在累加寄存器中，累加寄存器的算數(shù)進(jìn)位脈沖使能亞秒寄存器累加增量寄存器中的值。增量寄存器中設(shè)定的值為107，大約要經(jīng)過的108次累加，亞秒寄存器才會溢出，向秒寄存器進(jìn)位，也就是系統(tǒng)時間增加了1s。驅(qū)動從時鐘工作的晶振頻率至少為40MHz，選擇此頻率為主從時鐘的標(biāo)稱頻率f0。單位時間內(nèi)亞秒寄存器中增加的數(shù)值由加數(shù)寄存器和時鐘信號共同決定，改變頻率補償值就可以改變儲存在加數(shù)寄存器中的值，相當(dāng)于調(diào)整了累加寄存器進(jìn)位脈沖驅(qū)動亞秒寄存器累加增量寄存器中的值的頻率，從而實現(xiàn)對晶振頻率的補償并使從時鐘的時間跟蹤主時鐘的時間。在本實施例中，頻率補償初值設(shè)定為：u[0]=232·40MHz50MHz=0XCCCCCCCD]]>頻率補償時鐘模型可由如下微分方程描述：y·=kcu---(2)]]>其中，輸入u為頻率補償初值與頻率補償值之和，輸出y為從時鐘時間。選擇從時鐘時間作為狀態(tài)變量x，并考慮時間戳量化誤差w，頻率補償時鐘的狀態(tài)空間模型如下：x·=kcu+wy=x---(3)]]>把方程(2)重新表示為：x·=(kc-b0)u+b0u+wy=x---(4)]]>其中b0≈kc，是對不確定時鐘常數(shù)kc的估計值，f＝(kc-b0)u+w為包含晶振頻率漂移和時間戳量化誤差在內(nèi)的“總和擾動”，(kc-b0)u為晶振漂移造成的“內(nèi)部擾動”，w為時間戳量化誤差造成的“外部擾動。將“總和擾動”擴張為系統(tǒng)的狀態(tài)變量x2＝f，設(shè)總和擾動的變化率有界，并記為令x1為原系統(tǒng)狀態(tài)變量x，進(jìn)而，可由式(4)得到如下擴張狀態(tài)空間模型：x·=Ax+Bu+Ehy=Cx---(5)]]>其中x=x1x2,A=0100,B=b00,C=10,E=01]]>對于二階擴張狀態(tài)空間模型(4)，線性擴張狀態(tài)觀測器設(shè)計如下：z·=Az+Bu+L(y-y^)y^=Cz---(6)]]>其中，L＝[β1β2]是待整定的觀測器增益矩陣，β1和β2是觀測器增益，z＝[z1z2]，z1和z2分別是從時鐘時間x1和“總和擾動”x2的估計值?？刂坡稍O(shè)計如下：u0＝kp(r-z1)(7)u＝(u0-z2)/b0(8)基于干擾觀測反饋控制技術(shù)的時鐘同步系統(tǒng)根據(jù)式(5)-(8)進(jìn)行設(shè)計，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在本實施例中，kp＝0.75,b0＝0.035,β1＝1.4,β2＝0.4。圖4為本實施例IEEE1588時鐘同步方法的同步精度比較圖，其中橫坐標(biāo)為測量的時間軸,單位為秒,縱坐標(biāo)為主從時鐘偏差,單位為秒。圖4(a)采用的是許雄等人提出的時鐘同步方法，圖4(b)采用的是本實施例提出的時鐘同步方法。從仿真實驗結(jié)果可知，采用本實施例提出的時鐘同步方法可以顯著提高時鐘同步精度(時鐘偏差抖動從±100ns提高到±50ns)。當(dāng)前第1頁1 2 3