网络串级控制系统前向通路时变性网络时延补偿方法技术方案

本发明专利技术提出一种网络串级控制系统前向通路时变性网络时延补偿方法，属于网络控制系统技术领域。它采用真实的前向通路节点之间的网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型，免除对前向通路节点之间网络数据传输时变性时延的测量、观测、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求。采用本方法可降低时变性网络时延对系统稳定性的影响，改善系统控制性能品质。本发明专利技术适用于主被控对象数学模型已知或不确知，副被控对象数学模型已知，系统可存在一定的干扰信号，网络仅存在于网络串级控制系统的前向通路中的时变性网络时延的动态补偿与控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及网络串级控制系统前向通路时变性网络时延的补偿方法，属于网络控 制系统
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技术介绍
随着计算机网络技术的迅速发展，传统的控制系统逐渐被网络控制系统所代 替·控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统，称之为网络控制系统(Networked control systems,NCS).由于网络控制系统具有成本低廉、维护方便等突出特点，已经在电 力系统、石油化工等工业过程控制和能源交通、环境保护和国防军事现代化中得到了广泛 的应用，网络控制系统已经成为网络通信与控制领域的一个研究热点.将网络引入控制系统的控制回路中，为工业过程控制实际应用带来了极大的便 利，但也给控制系统的分析和综合带来了巨大的挑战.传统的控制理论中所作的假设，如 数据包的无时延、无差错、无丢失的准确传输等假设已不再成立，系统的分析和设计变得异 常地复杂.目前，国内外关于网络控制系统的研究主要是针对单回路的控制系统，分别在网 络时延恒定、时变或随机，网络时延小于一个采样周期或大于一个采样周期，单包传输或多 包传输，有无数据包丢失等各种条件下，对其进行建模与稳定性分析，但鲜有论文对网络串 级控制系统进行研究.控制回路通过实时网络闭合的串级控制系统称为网络串级控制系 统(NCCS)，适用于本专利技术的网络串级控制系统的典型结构框图如附图说明图1所示.由于网络串级控制系统是一个多闭环回路的网络控制系统，对网络时延影响的分 析与系统性能的研究远比单回路的网络控制系统要复杂得多.内回路网络时延将严重影 响内回路网络控制系统的快速性和抗干扰能力，同时也将与外回路网络时延一起对整个网 络串级控制系统的稳定性和控制品质产生负面影响.对于网络时延研究的难点在于(1)由于网络时延与网络拓扑结构、通信协议、网络负载、网络带宽和数据包大小 等因素有关.对大于数个乃至数十个采样周期的网络时延，要建立准确的预测、估计或辨 识的数学模型，目前几乎是不可能的.(2)发生在前一个节点向后一个节点传输网络数据过程中的网络时延，在前一个 节点中无论采用何种预测或估计方法，都不可能事先提前知道其后产生的网络时延的准确 值.时延导致系统性能下降甚至造成系统不稳定，同时也给控制系统的分析与设计带来困 难·(3)要满足网络串级控制系统中，不同分布地点的所有节点时钟信号完全同步是 不现实的.针对网络仅存在于主变送(控制)器节点与副变送(控制)器节点之间(外前向 网络)，以及副变送(控制)器节点与执行器节点之间(内前向网络)的如图2所示的网络 串级控制系统，其输入R(S)与输出Y1(S)之间的闭环传递函为权利要求，其特征在于该方法包括以下步骤(1).当主变送(控制)器节点被采样周期h1触发时，将采用方式A进行工作；(2).当主变送(控制)器节点将误差信号e0(s)通过外前向网络通路向副变送(控制)器节点传输时，将采用方式B进行工作；(3).当副变送(控制)器节点被采样周期h2触发时，将采用方式C进行工作；(4).当副变送(控制)器节点被误差信号e0(s)触发时，将采用方式D进行工作；(5).当副变送(控制)器节点将误差信号e1(s)通过内前向网络通路向执行器节点传输时，将采用方式E进行工作；(6).当执行器节点被信号e1(s)触发时，将采用方式F进行工作.2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式A的步骤包括 Al 主变送(控制)器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为Ii1 ；A2 主变送(控制)器节点被触发后，对主被控对象G1 (s)的输出信号Y1 (s)进行采样； A3 将系统给定信号R(S)与1(8)相加减，得到外回路误差信号e(1(s).3.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式B的步骤包括Bl 主变送(控制)器节点将误差信号eQ(s)，通过外前向网络通路向副变送(控制) 器节点传输.4.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式C的步骤包括 Cl 副变送(控制)器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为h2 ；C2 副变送(控制)器节点被触发后，对副被控对象G2 (s)的输出信号Y2(S)和副被控 对象的预估模型G2m(S)的输出信号y2m(s)进行采样；C3 :^Y2(s)和y2m(s)实施相减运算，得到模型偏差信号W2 (s).5.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式D的步骤包括Dl 误差信号etl(s)触发副变送(控制)器节点，此时的副变送(控制)器节点工作于 事件驱动方式；D2 :^e0(s)作为给定信号与W2 (s)相减，得到误差信号ei(s).6.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式E的步骤包括El 副变送(控制)器节点将误差信号ei (s)，通过内前向网络通路向执行器节点传输.7.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式F的步骤包括 Fl 执行器节点工作于事件驱动方式；F2 执行器节点被误差信号ei(s)触发； F3 将ei (s)与Y1 (s)相减，得到误差信号e2 (s)； F4 对e2 (s)实施控制算法C1 (s)，其输出信号为U1 (s)； F5 =^u1(S)与Y2(S)相减，得到误差信号e3 (s)； F6 对e3(s)实施控制算法C2(S)，其输出信号为U2(S)；U2(S)作为驱动信号，对副被控对象G2 (s)实施控制，从而改变G2 (s)的状态，进 而改变G1 (s)的状态，实现对G1 (s) %G2(S)的控制作用；F8:完成副被控对象的预估模型G2m(S)的输出y2m(s)的计算.8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于主变送(控制)器节点是由主变送器内嵌主控制器所组成，即主变送器和主控制器共用同一个节点，主变送(控制)器节点采用时间 驱动触发工作方式(采样周期为hi).9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于副变送(控制)器节点是由副变送器内嵌 副控制器所组成，即副变送器和副控制器共用同一个节点，副变送器采用时间驱动触发工 作方式(采样周期为h2)，而副控制器采用事件驱动触发工作方式(触发信号为etl(s)).10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于系统包含主变送(控制)器节点、副变送 (控制)器节点、执行器节点、主被控对象和副被控对象等单元，各单元依照各自设定的工 作方式进行工作.11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用真实的从主变送(控制)器节点到副变 送(控制)器节点之间外回路前向网络通路的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模 型，以及用真实的从副变送(控制)器节点到执行器节点之间内回路前向网络通路的网络 数据传输过程代替其间网络时延补偿模型，从而在结构上实现系统不包含网络时延的补偿 模型.12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上免除对从主变送(控制)器节点 到副变送(控制)器节点之间，以及副变送(控制)器节点到执行器节点之间网络时延的 测量、观测、估计或辨识；免除对主变送(控制)器节点、副变送(控制)器节点和执行器节 点时钟信号同步的要求.13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上实现网络时延补偿方法的实施 与具体控制策略C1 (S) ^P C2(S)的选择无关，与具体网络通信协议的选择无关.14.根据权利要求1所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
网络串级控制系统前向通路时变性网络时延补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：（１）．当主变送（控制）器节点被采样周期ｈ↓［１］触发时，将采用方式Ａ进行工作；（２）．当主变送（控制）器节点将误差信号ｅ↓［０］（ｓ）通过外前向网络通路向副变送（控制）器节点传输时，将采用方式Ｂ进行工作；（３）．当副变送（控制）器节点被采样周期ｈ↓［２］触发时，将采用方式Ｃ进行工作；（４）．当副变送（控制）器节点被误差信号ｅ↓［０］（ｓ）触发时，将采用方式Ｄ进行工作；（５）．当副变送（控制）器节点将误差信号ｅ↓［１］（ｓ）通过内前向网络通路向执行器节点传输时，将采用方式Ｅ进行工作；（６）．当执行器节点被信号ｅ↓［１］（ｓ）触发时，将采用方式Ｆ进行工作。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杜锋，杜文才，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：66[中国|海南]