网络串级控制系统前向通路时变性网络时延补偿方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明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，属于网络控制系统技术领域.

背景技术

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)，适用于本发明的网络串级控制系统的典型结构框图如图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

$>\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{C_1\left(s\right)e^{-{\tau }_{1}s}{C_2\left(s\right)e^{-{\tau }_{2}s}G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+C_1\left(s\right)e^{-{\tau }_{1}s}{C}_2\left(s\right)e^{-{\tau }_{2}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)+C_2\left(s\right)e^{-{\tau }_{2}s}{G}_2\left(s\right)}---\left(1\right)$>

式中：C₁(s)是主控制器，C₂(s)是副控制器；G₁(s)是主被控对象，C₂(s)是副被控对象；τ₁表示将网络数据从主变送(控制)器节点传输到副变送(控制)器节点之间所产生的时变性网络时延；τ₂表示将网络数据从副变送(控制)器节点传输到执行器节点所产生的时变性网络时延.

由于等式(1)所示的闭环传递函数的分母中包含网络时延τ₁和τ₂的指数项和时延的存在将恶化系统的控制性能质量，甚至导致系统失去稳定性，严重时可使系统出现故障.

降低时延对系统稳定性影响的关键，就在于能否实现将主变送(控制)器节点与副变送(控制)器节点之间的网络时延τ₁的指数项和副变送(控制)器节点到执行器节点之间的网络时延τ₂的指数项从等式(1)的分母中去除，即实现系统闭环特征方程中不包含所有网络时延的指数项，进而实现对网络时延的补偿.然而，要实现对网络时延的补偿，首先必须知道网络时延的大小.目前，国内外通常采用的方法是通过对网络时延τ₁和τ₂的测量，来补偿时延τ₁和τ₂对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延τ₁和τ₂的准确测量需要满足节点时钟信号同步的要求，若采用硬件来实现节点时钟信号完全同步，则需要较大的经济投入；若采用软件校正时钟信号，则由于校正信号在节点间传输时，可能遭遇网络时延的影响，难以实现节点时钟完全同步；若采用对网络时延进行估计、观测、辨识或预测的方法来获得网络时延的大小，则首先必须知道网络时延的准确概率分布，或准确的数学模型，但由于网络时延的大小与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓扑结构等因素有关，对网络时延的估计、观测、辨识或预测都可能存在偏差.

因此，如何免除对节点时钟信号同步的要求，免除对节点之间网络时延的估计、观测、辨识或预测，同时又能获得节点之间准确的时延值，进而实现对网络串级控制系统前向通路时变性网络时延的补偿与控制，已成为网络串级控制系统研究中需要解决的关键问题之一.

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种涉及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)的网络串级控制系统时变性网络时延补偿方法.

本发明的目的：

针对网络串级控制系统中，网络时延“测不准”的难题，本发明提出了一种免除对节点时钟信号同步的要求，同时也免除对其节点之间时变性网络时延的测量、估计或辨识的时延补偿方法，实现对网络时延的分段、实时、在线和动态的补偿与控制.

本发明采用的方法是：

第一步：采用主变送(控制)器节点到副变送(控制)器节点之间的真实网络数据传输过程代替其间网络时延的补偿模型，从而在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无论从主变送(控制)器节点到副变送(控制)器节点之间的网络通路有多么复杂和不确定，也无论其间包含有多少个路由器或(和)中间环节，信息流所经历的网络时延就是控制过程中真实的网络时延，信息流传输过程中就已实现了对其时延的补偿功能.

第二步：采用副变送(控制)器节点到执行器节点之间的真实网络数据传输过程代替其间网络时延的补偿模型，从而在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无论从副变送(控制)器节点到执行器节点之间的网络通路有多么复杂和不确定，也无论其间包含有多少个路由器或(和)中间环节，信息流所经历的网络时延就是控制过程中真实的网络时延，信息流传输过程中就已实现了对其时延的补偿功能.

第三步：针对图2所示的网络串级控制系统，实施本发明方法的网络时延补偿结构如图3所示.

在图3中，从系统的输入R(s)与输出Y₁(s)之间的闭环传递函数为

$>\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{e^{-{\tau }_{1}s}{e}^{-{\tau }_{2}s}{C}_1\left(s\right)C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+e^{-{\tau }_{2}s}{C}_1\left(s\right)C_2\left(s\right)[G_2\left(s\right)-G_{2m}\left(s\right)]+C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)G_1\left(s\right)+C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)}---\left(2\right)$>

只需满足副被控对象预估模型等于其真实模型，即G_2m(s)＝G₂(s)时，式(2)可化简为

$>\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{e^{-{\tau }_{1}s}{e}^{-{\tau }_{2}s}{C}_1\left(s\right)C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)+C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}---\left(3\right)$>

式(3)所示的网络串级控制系统的闭环传递函数分母中，不包含网络时延τ₁和τ₂的指数项和即实现了闭环特征方程1+C₁(s)C₂(s)G₂(s)G₁(s)+C₂(s)G₂(s)＝0中不包含网络时延的指数项，从而消除了网络时延对系统稳定性的影响，提高了系统的控制性能质量，实现了对时变性网络时延的补偿功能.

本发明的适用范围：

本发明适用于网络串级控制系统中，主被控对象数学模型已知或未知，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)的网络串级控制系统时变性网络时延的补偿与控制.

本发明的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.

方式A的步骤包括：

A1：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h₁；

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Y₁(s)相加减，得到外回路误差信号e₀(s).

方式B的步骤包括：

B1：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.

方式C的步骤包括：

C1：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G_2m(s)的输出信号y_2m(s)进行采样；

C3：对Y₂(s)和y_2m(s)实施相减运算，得到模型偏差信号w₂(s).

方式D的步骤包括：

D1：误差信号e₀(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：将e₀(s)作为给定信号与w₂(s)相减，得到误差信号e₁(s).

方式E的步骤包括：

E1：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.

方式F的步骤包括：

F1：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e₁(s)触发；

F3：将e₁(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：将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)；

F7：将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)与G₂(s)的控制作用；

F8：完成副被控对象的预估模型G_2m(s)的输出y_2m(s)的计算.

7、本发明所述的时延补偿方法，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h₁).

8、本发明所述的时延补偿方法，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e₀(s)).

9、本发明所述的时延补偿方法，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.

10、本发明所述的时延补偿方法，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，从而在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.

11、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用真实的从副变送(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其间网络时延的补偿模型.

12、本发明所述的时延补偿方法，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)器节点之间网络时延的测量、观测、估计或辨识.

13、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对副变送(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.

14、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对主变送(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.

15、本发明所述的时延补偿方法，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)和C₂(s)的选择无关.

16、本发明所述的时延补偿方法，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网络通信协议的选择无关.

17、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于当副被控对象G₂(s)与其预估模型G_2m(s)相等时，可实现对网络串级控制系统前向通路时变性网络时延的完全补偿，提高系统的控制性能质量.

18、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于采用的是“软”改变控制系统结构的补偿方法，无需再增加任何硬件设备，利用现有网络串级控制系统智能节点自带的软件资源，就足以实现其补偿功能.

19、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式A适用于主变送(控制)器节点周期采样并对信号进行处理.

20、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式B适用于主变送(控制)器节点传输网络数据.

21、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式C适用于副变送(控制)器节点周期采样并对信号进行处理.

22、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式D适用于副变送(控制)器节点对信号进行处理.

23、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式E适用于副变送(控制)器节点传输网络数据.

24、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式F适用于执行器节点实施控制与驱动功能.

本发明具有如下优点：

1、由于从结构上免除了对主变送(控制)器节点到副变送(控制)器节点之间(外回路前向通路)，以及副变送(控制)器节点到执行器节点之间(内回路前向通路)时变性网络时延的测量、观测、估计或辨识，同时还免除了节点时钟信号同步的要求，进而避免了时延估计模型不准确造成的估计误差，避免了对时延辨识所需耗费节点存贮资源的浪费，同时还避免了由于时延造成的“空采样”或“多采样”带来的补偿误差.

2、由于从结构上实现了与具体的网络通信协议的选择无关，因而既适用于采用有线网络协议的网络串级控制系统，亦适用于无线网络协议的网络串级控制系统；既适用于确定性网络协议，亦适用于非确定性的网络协议.

3、由于从结构上实现了与具体的网络通信协议的选择无关，因而既适用于基于有线网络协议的异构网络串级控制系统，亦适用于基于无线网络协议的异构网络串级控制系统，同时还适用于异质(如有线与无线混杂)的网络串级控制系统的时延补偿.

4、由于从结构上实现了与具体的主(或副)控制器控制策略的选择无关，因而既可用于采用常规控制的网络串级控制系统，亦可用于采用智能控制或采用复杂控制策略的网络串级控制系统.

5、由于本发明采用的是“软”改变控制系统结构的补偿方法，因而在其实现过程中无需再增加任何硬件设备，利用现有网络串级控制系统智能节点自带的软件资源，就足以实现其补偿功能，因而可节省硬件投资，便于推广和应用.

附图说明

图1为网络仅存在于前向通路中的网络串级控制系统方框图.

图2为网络仅存在于前向通路中的网络串级控制系统结构图.

图3为本发明所述的网络串级控制系统前向通路时变性网络时延补偿方法结构图

在图1的方框图中，系统由输入信号(R)，主变送(控制)器(S₁/C₁)节点，外前向网络，副变送(控制)器(S₂/C₂)节点，内前向网络，执行器(A)节点，副被控对象(G₂)及其输出(Y₂)，以及主被控对象(G₁)及其输出(Y₁)所组成.

主变送器中内置主控制器，即主变送器和主控制器共用同一个节点(S₁/C₁)，节点采用时间驱动方式进行工作，触发周期为h_1.对主被控对象实施周期采样，并对偏差信号实施C₁控制.

副变送器中内置副控制器，即副变送器和副控制器共用同一个节点(S₂/C₂)，其中：副变送器采用时间驱动方式进行工作，触发周期为h₂，对副被控对象实施周期采样；而副控制器采用事件驱动方式进行工作，由主变送(控制)器(S₁/C₁)节点的输出信号通过外前向网络来触发.

执行器(A)为一独立节点，采用事件驱动方式进行工作，由副变送(控制)器(S₂/C₂)节点的输出信号通过内前向网络来触发，并驱动执行机构，从而改变副被控对象(G₂)的状态，进而改变主被控对象(G₁)的状态.

图1中系统的主变送(控制)器(S₁/C₁)节点，副变送(控制)器(S₂/C₂)节点以及执行器(A)节点都是智能节点，不仅具备存贮运算与通信功能，而且还具备软件组态与控制功能，这些节点包括现已广泛应用的工业现场总线控制系统(FCS)和集散控制系统(DCS)中常见的智能节点或智能设备等硬件.

在图2的系统中，数据传输中的时变性网络时延对于系统的稳定性和控制性能质量有着显著的影响.网络串级控制系统的数据传输经历着从主变送(控制)器节点到副变送(控制)器节点之间(外回路前向通路)的网络数据传输时延τ₁，以及副变送(控制)器节点到执行器节点之间(内回路前向通路)的网络数据传输时延τ₂的影响.时延与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓扑结构等因素有关，对于网络时延的测量、或估计、或观测、或辨识已成为实现对其补偿的关键前提条件.然而，通过网络连接的各个节点的分布性使得网络串级控制系统中的各个节点很难满足时钟信号同步的要求.同时，由于网络时延的时变性和突发性，要做到每一步都能准确预测是不可能的.

在图3的系统中，不包含从主变送(控制)器节点到副变送(控制)器节点之间(外回路前向通路)的网络时延预估模型，也不包含从副变送(控制)器节点到执行器节点之间(内回路前向通路)的网络时延预估模型.免除了对时变性网络时延τ₁和τ₂的测量、估计、观测或辨识，同时也免除了对节点(主变送(控制)器、副变送(控制)器、执行器)时钟信号同步的要求.当主副被控对象与其预估模型相等时，可实现从系统的输入信号R(s)到系统的输出信号Y₁(s)的闭环传递函数中，将网络时延τ₁和τ₂的指数项和从分母中消除，即实现闭环特征方程中不包含网络时延τ₁和τ₂的指数项，从而降低了时延对系统稳定性的影响，提高了系统的控制性能质量，实现对时变性网络时延的动态补偿与控制.

具体实施方式

下面将通过参照附图3详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点.

具体实施步骤如下所述：

第一步：工作于时间驱动方式的主变送(控制)器节点对主被控对象G₁(s)的输出信号Y₁(s)进行周期采样(采样周期为h₁)，并将系统给定信号R(s)与Y₁(s)进行相加减，得到误差信号e₀(s)；

第二步：主变送(控制)器节点通过外回路前向网络通路将信号e₀(s)传输到副变送(控制)器节点，并触发其节点处于工作状态；

第三步：工作于时间驱动方式的副变送(控制)器节点对副被控对象G₂(s)的输出信号Y₂(s)进行周期采样(采样周期为h₂)；

第四步：副变送(控制)器节点被外回路前向网络通路传输过来的信号e₀(s)触发(事件触发工作方式)，在其节点中实施信号e₀(s)与信号w₂(s)相减运算，得到误差信号e₁(s)；

第五步：副变送(控制)器节点通过内前向网络通路将信号e₁(s)向执行器节点传输；

第六步：工作于事件驱动方式的执行器节点被e₁(s)信号所触发，在其节点中实施e₁(s)减Y₁(s)运算，得到误差信号e₂(s)；对e₂(s)实施C₁(s)控制策略，其输出信号为u₁(s)；将u₁(s)减Y₂(s)，得到误差信号e₃(s)；对e₃(s)实施C₂(s)控制策略，其输出信号为u₂(s)，将u₂(s)驱动执行机构，从而改变副被控对象G₂(s)的状态，进而改变主被控对象G₁(s)的状态，实现对G₁(s)与G₂(s)的控制作用.同时完成对副被控对象预估模型G_2m(s)的输出信号y_2m(s)的计算；

第七步：返回第一步.

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内.

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。