專利名稱：網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)前向通路未知網(wǎng)絡(luò)時延的補償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)前向通路未知網(wǎng)絡(luò)時延的補償方法，屬于網(wǎng)絡(luò)控制 系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域.
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked control systems,NCS)是指控制系統(tǒng)的各部件(變送 器、控制器和執(zhí)行器等)通過通信網(wǎng)絡(luò)，連接構(gòu)成的實時閉環(huán)控制系統(tǒng).與以往點到點的控 制系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有資源共享，易于安裝維護，低開銷等優(yōu)點.然而，由于網(wǎng)絡(luò) 帶寬資源有限，網(wǎng)絡(luò)中不可避免的存在著網(wǎng)絡(luò)資源競爭和網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù) 包丟失或傳輸時延等問題.在實際工業(yè)過程控制中，串級控制系統(tǒng)是除了單回路反饋控制之外應(yīng)用最廣泛的 重要控制結(jié)構(gòu).串級控制系統(tǒng)屬于復(fù)雜控制系統(tǒng)，由于串級控制系統(tǒng)改善調(diào)節(jié)過程極為有 效，具有很好的控制性能，因而在實際工業(yè)生產(chǎn)過程控制和機器人控制等領(lǐng)域中獲得了廣 泛的應(yīng)用.隨著集散控制系統(tǒng)和現(xiàn)場總線的廣泛應(yīng)用，在串級控制系統(tǒng)中越來越多地通過 專用網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線來傳輸實時控制信息.串級控制系統(tǒng)中控制回路是通過實時網(wǎng)絡(luò)閉 合的控制系統(tǒng)，稱之為網(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.網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)是一類特殊的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，它充分結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和串 級控制系統(tǒng)的優(yōu)點，不僅可以大大降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)診斷維護水平，還可以快速克服 內(nèi)部擾動，提高系統(tǒng)工作頻率.因此，很有必要對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的串級控制系統(tǒng)進行深 入的研究.由于網(wǎng)絡(luò)化串級控制系統(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)性能的研究遠比單回路網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)要復(fù)雜得多.但由于在內(nèi)外閉環(huán)控制回 路中引入了網(wǎng)絡(luò)，不可避免地將產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時延和數(shù)據(jù)包丟失.時延和數(shù)據(jù)丟包將降低控制 系統(tǒng)的性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時延大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期時，國內(nèi)外 至今尚無較好的控制策略或補償方法來滿足控制質(zhì)量要求.針對網(wǎng)絡(luò)僅存在于主變送(控制)器節(jié)點與副變送(控制)器節(jié)點之間(外前向 網(wǎng)絡(luò))，以及副變送(控制)器節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點之間(內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò))的如圖2所示的網(wǎng)絡(luò) 串級控制系統(tǒng)，其輸入R(S)與輸出Y1(S)之間的閉環(huán)傳遞函為
權(quán)利要求
1.網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)前向通路未知網(wǎng)絡(luò)時延的補償方法，其特征在于該方法包括以下 步驟(1).當(dāng)主變送(控制)器節(jié)點被采樣周期hi觸發(fā)時，將采用方式A進行工作；(2).當(dāng)主變送(控制)器節(jié)點將誤差信號A(S)通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路向副變送(控 制)器節(jié)點傳輸時，將采用方式B進行工作；(3).當(dāng)副變送(控制)器節(jié)點被采樣周期Ii2觸發(fā)時，將采用方式C進行工作；(4).當(dāng)副變送(控制)器節(jié)點被誤差信號觸發(fā)時，將采用方式D進行工作；(5).當(dāng)副變送(控制)器節(jié)點將誤差信號ei(s)通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點傳 輸時，將采用方式E進行工作；(6).當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點被信號ei(s)觸發(fā)時，將采用方式F進行工作.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式A的步驟包括 Al 主變送(控制)器節(jié)點工作于時間驅(qū)動方式，其觸發(fā)采樣周期為Ii1 ；A2 主變送(控制)器節(jié)點被觸發(fā)后，對主被控對象G1 (s)的輸出信號Y1 (s)進行采樣； A3 將系統(tǒng)給定信號R(S)與1(8)相加減，得到外回路誤差信號
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式B的步驟包括Bl 主變送(控制)器節(jié)點將誤差信號，通過外前向網(wǎng)絡(luò)通路向副變送(控制) 器節(jié)點傳輸.
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式C的步驟包括 Cl 副變送(控制)器節(jié)點工作于時間驅(qū)動方式，其觸發(fā)采樣周期為Ii2 ；C2 副變送(控制)器節(jié)點被觸發(fā)后，對副被控對象G(S)的輸出信號進行采樣.
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式D的步驟包括Dl 誤差信號觸發(fā)副變送(控制)器節(jié)點，此時的副變送(控制)器節(jié)點工作于 事件驅(qū)動方式；D2 將e0 (s)與Y2 (s)相加減，得到誤差信號θι (s) ·
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式E的步驟包括El 副變送(控制)器節(jié)點將誤差信號ei (s)，通過內(nèi)前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點傳輸.
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補償方法，其特征在于所述方式F的步驟包括 Fl 執(zhí)行器節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式；F2 執(zhí)行器節(jié)點被誤差信號ei(s)觸發(fā)；F3 將ei (s)與Y1 (s)相減，得到誤差信號e2 (s)；F4 對％ (s)實施控制算法C1 (s)，其輸出的控制信號為U1 (s)；F5 =^u1(S)與Y2(S)相減，得到誤差信號^(s)；F6 對e3 (s)實施控制算法C2 (s)，其輸出的控制信號為U2 (s)；U2(S)作為驅(qū)動信號，對副被控對象G(S)實施控制，從而改變G(S)的狀態(tài)，進 而改變G1 (s)的狀態(tài)，實現(xiàn)對G1 (s) %G2(S)的控制作用.
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于主變送(控制)器節(jié)點是由主變送器內(nèi)嵌 主控制器所組成，即主變送器和主控制器共用同一個節(jié)點，主變送(控制)器節(jié)點采用時間 驅(qū)動觸發(fā)工作方式(采樣周期為Ii1).
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于副變送(控制)器節(jié)點是由副變送器內(nèi)嵌副控制器所組成，即副變送器和副控制器共用同一個節(jié)點，副變送器采用時間驅(qū)動觸發(fā)工 作方式(采樣周期為Ii2)，而副控制器采用事件驅(qū)動觸發(fā)工作方式(觸發(fā)信號為
10.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(控制)器節(jié)點、副變送 (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 作方式進行工作.
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用真實的從主變送(控制)器節(jié)點到副變 送(控制)器節(jié)點之間外回路前向網(wǎng)絡(luò)通路的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補償模 型，以及用真實的從副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間內(nèi)回路前向網(wǎng)絡(luò)通路的網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)傳輸過程代替其間網(wǎng)絡(luò)時延補償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含網(wǎng)絡(luò)時延的補償 模型.
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對從主變送(控制)器節(jié)點 到副變送(控制)器節(jié)點之間，以及副變送(控制)器節(jié)點到執(zhí)行器節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時延的 測量、觀測、估計或辨識；免除對主變送(控制)器節(jié)點、副變送(控制)器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié) 點時鐘信號同步的要求.
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)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延補償方法的實施 與具體控制策略C1 (S) ^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).
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于無需確知主副被控對象的數(shù)學(xué)模型，就可 實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)前向通路未知網(wǎng)絡(luò)時延的完全補償，提高系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量.
15.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)其補償功能.
16.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(控制)器節(jié)點周期 采樣并對信號進行處理；方式B適用于主變送(控制)器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式C適用于 副變送(控制)器節(jié)點周期采樣并對信號進行處理；方式D適用于副變送(控制)器節(jié)點 對信號進行處理；方式E適用于副變送(控制)器節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式F適用于執(zhí)行器 節(jié)點實施控制與驅(qū)動功能。
全文摘要
本發(fā)明提出一種網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)前向通路未知網(wǎng)絡(luò)時延的補償方法，屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。它采用真實的前向通路節(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)時延補償模型，免除對前向通路節(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，提高系統(tǒng)控制性能質(zhì)量。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，網(wǎng)絡(luò)存在一定量的數(shù)據(jù)丟包，網(wǎng)絡(luò)時延可大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期，網(wǎng)絡(luò)僅存在于網(wǎng)絡(luò)串級控制系統(tǒng)的前向通路中的未知網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補償與控制。
文檔編號H04L7/00GK102033529SQ20101055288
公開日2011年4月27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)