分層結構中變送器與(控制)執行器間網絡時延補償方法

2023-05-29 14:33:51 1

專利名稱：分層結構中變送器與(控制)執行器間網絡時延補償方法
技術領域：
本發明涉及分層結構的網絡控制系統中，網絡存在於變送器與(控制)執行器節 點之間的網絡時延補償方法，屬於網絡控制系統技術領域.
背景技術：
隨著計算性能、網絡通信和智能變送技術的飛速發展，使得計算機控制系統從傳 統的集中式控制方式過渡到集散控制方式、現場總線控制方式，直至現今的基於網絡的分 布式控制方式.利用通信網絡實現典型空間分布的變送器、(控制)執行器之間的信息 交互，以達到被控對象的反饋控制，這樣一類控制系統稱之為網絡控制系統(Networked control systems, NCS)，適用於本發明的網絡控制系統典型結構框圖如

圖1所示.與傳統的控制系統採用點對點的信息無損傳送方式相比，NCS通過數據網絡甚至 無線網絡可以實現複雜環境下的大系統控制和遠程控制，且具有交互性好、減少系統布線、 易於擴展和維護、增加了系統的柔性和可靠性等諸多優點，這些都是傳統控制系統所無法 比擬的.同時也使系統的分析和設計變得異常地複雜.由於網絡帶寬有限並為系統各節 點所共享，當變送器節點與控制執行器節點之間通過網絡交換數據時，數據可能存在多包 傳輸、多路徑傳輸，而網絡也可能存在擁塞、連接中斷等現象，使得NCS喪失了定常性、完整 性、因果性和確定性.時延的存在會降低系統的控制性能質量，引起系統不穩定，嚴重時可 導致系統出現故障.如果網絡時延是分布特性已知的隨機變量，則可把網絡控制系統視為一個隨機系 統，利用隨機控制的理論和方法進行系統分析與設計，但由於網絡時延與具體的網絡協議、 網絡負載大小以及網絡拓撲結構等因素有關，要事先完全確知其準確的概率分布是不可能 的；當網絡時延是時變、不確定時延，可採用魯棒控制、自適應控制、智能控制等方法對具有 時變時延的網絡控制系統進行分析與設計，但由於單純採用改變控制策略的方法來補償網 絡時延，其前提是把網絡時延的變化看成廣義被控對象或其參數發生變化，引起系統誤差 變化，然後再實施智能等控制方法，本質上是一種被動控制方法，其控制效果通常在時延較 小時效果較好，但難以適應時延波動較大的情況.針對如圖2所示的網絡僅存在於變送器與(控制)執行器節點間的網絡控制系 統，其輸入R(S)與輸出(S)之間的閉環傳遞函數為
權利要求
分層結構中變送器與(控制)執行器間網絡時延補償方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1).當變送器節點被周期採樣信號觸發時，將採用方式A進行工作；(2).當變送器節點將被控對象G(s)的輸出信號Y(s)通過反饋網絡通路向(控制)執行器節點傳輸時，將採用方式B進行工作；(3).當(控制)執行器節點被信號Y(s)觸發時，將採用方式C進行工作；
2.根據權利要求1所述的補償方法，其特徵在於所述方式A的步驟包括A1 變送器節點工作於時間驅動方式，其觸發信號為周期採樣信號；A2 變送器節點被觸發後，對被控對象G(s)的輸出信號Y(s)進行採樣.
3.根據權利要求1所述的補償方法，其特徵在於所述方式B的步驟包括B1 變送器節點將信號Y(s)，通過反饋網絡通路向(控制)執行器節點傳輸.
4.根據權利要求1所述的補償方法，其特徵在於所述方式C的步驟包括C1 (控制)執行器節點工作於事件驅動方式，被來自反饋網絡通路的信號Y(s)觸發；C2:將系統給定信號R(s)與來自反饋網絡通路的信號Y(s)相加減，得到誤差信號 e「s)；C3 將ei(s)與來自現場變送器節點的輸出信號Y(s)相減，得到誤差信號e2(s)；C4 依據誤差信號e2 (s)的大小，實施常規控制或智能控制策略C(s)，其輸出信號為 u(s)；C5 將u(s)作為執行驅動信號，對被控對象G(s)實施控制.
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於系統包含變送器、(控制)執行器和被控對 象等單元，各單元依照各自設定的工作方式進行工作.
6.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於用真實的從變送器節點到(控制)執行器 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，從而在結構上實現系統不包含 其間網絡時延的補償模型.
7.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於控制器C(s)用於減少(消除)誤差信號 e2(s)對系統動態性能的影響.
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於無需完全確知被控對象G(s)的數學模型， 可實現對反饋網絡通路時延的完全補償，提高系統的控制質量.
9.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於從結構上免除對變送器節點到(控制)執 行器節點之間的網絡時延的測量、估計或辨識，免除對變送器節點和(控制)執行器節點時 鍾信號同步的要求.
10.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於從結構上實現網絡時延補償方法的實施 與具體控制策略的選擇無關，與具體網絡通信協議的選擇無關.
11.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於方式A適用於變送器節點周期採樣並對信 號進行處理；方式B適用於變送器節點傳輸網絡數據；方式C適用於(控制)執行器節點實 施控制算法並對被控對象實施控制驅動。
全文摘要
本發明提出一種分層結構的網絡控制系統中，變送器節點與(控制)執行器節點之間的網絡時延補償方法，屬於網絡通信、計算機與控制技術領域。它採用真實的變送器節點與(控制)執行器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時延的測量、估計、觀測或辨識，免除對節點時鐘信號同步的要求。採用本方法可降低時延對系統穩定性的影響，提高系統的動態性能質量。本發明適用於被控對象數學模型已知或不確知、或幹擾難以確定，且通信網絡僅存在於變送器節點與(控制)執行器節點之間的分層結構網絡控制系統中，大於1個乃至數十個採樣周期的網絡時延的動態補償與控制。
文檔編號H04L7/00GK101995873SQ20101055767
公開日2011年3月30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, 杜育寬, 杜鋒, 陳褒丹 申請人:海南大學