專利名稱：變送(控制)器與執(zhí)行器間帶雙控功能的時延補(bǔ)償方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的帶雙控功能的網(wǎng)絡(luò) 時延補(bǔ)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)
基于實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked control systems, NCS)，適用于本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)框圖如

圖1所示.
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、分布化、節(jié)點(diǎn)智能化的方向 發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源共享，并增加了系統(tǒng)的柔性和可靠性.但是，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，信 息的傳送不可避免地會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時延，時延的存在使得系統(tǒng)性能變差，嚴(yán)重時甚至影響到 系統(tǒng)的穩(wěn)定性.同時，由于網(wǎng)絡(luò)時延的隨機(jī)性和不確定性，使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè) 計(jì)變得非常地困難.
針對如圖2所示的網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)控制系 統(tǒng)，其輸入R(s)與輸出Y(S)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
式中=C1 (S)是控制器；G(S)是被控對象；τ表示將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)從變送(控制)器節(jié) 點(diǎn)傳輸?shù)綀?zhí)行器節(jié)點(diǎn)時所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時延.
由于等式(1)所示的閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中存在網(wǎng)絡(luò)時延τ的指數(shù)項(xiàng)，時延 的存在將惡化系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，嚴(yán)重時可使系統(tǒng)出現(xiàn)故障.
降低時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵，就在于能否實(shí)現(xiàn)將變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí) 行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)時延τ的指數(shù)項(xiàng)從等式(1)的分母中去除，即實(shí)現(xiàn)閉環(huán)特征方程 中不包含網(wǎng)絡(luò)時延的指數(shù)項(xiàng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償作用.然而，要實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延 的補(bǔ)償，首先必須知道網(wǎng)絡(luò)時延的大小.目前，國內(nèi)外通常采用的方法是通過對網(wǎng)絡(luò)時延 τ的測量，來補(bǔ)償時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響.但是，由于對網(wǎng)絡(luò)時延的準(zhǔn)確測量需要滿足 節(jié)點(diǎn)時鐘信號同步的要求，若采用硬件來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時鐘信號完全同步，則需要較大的經(jīng)濟(jì) 投入；若采用軟件校正時鐘信號，則由于校正信號在節(jié)點(diǎn)間傳輸時，可能遭遇網(wǎng)絡(luò)時延的影 響，難以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)時鐘完全同步；若采用對網(wǎng)絡(luò)時延進(jìn)行估計(jì)、辨識或預(yù)測的方法來獲得網(wǎng) 絡(luò)時延的大小，則必須知道網(wǎng)絡(luò)時延的準(zhǔn)確概率分布，或準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，但由于網(wǎng)絡(luò)時延 的大小可能是隨機(jī)的，也可能是時變的，其值與具體的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大小以及網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，對網(wǎng)絡(luò)時延的估計(jì)或辨識都可能存在偏差.
因此，如何免除對變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)時鐘信號同步的要求，免除對 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)時延的估計(jì)或辯識，同時又能獲得節(jié)點(diǎn)之間準(zhǔn)確 的時延值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償作用，已成為 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中需要解決的一個難點(diǎn)問題.發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種涉及網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié) 點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延補(bǔ)償方法.
本發(fā)明的目的
針對網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，網(wǎng) 絡(luò)時延“測不準(zhǔn)”的難題，本發(fā)明提出了一種免除對節(jié)點(diǎn)時鐘信號同步的要求，同時也免除 對其網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計(jì)或辨識的時延補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的實(shí)時、在線和動態(tài)的 補(bǔ)償與控制.
本發(fā)明采用的方法是
第一步采用變送(控制)器節(jié)點(diǎn)到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程代 替其間網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償模型.無 論從變送(控制)器節(jié)點(diǎn)到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)通路有多么復(fù)雜和不確定，也無論其間 包括有多少個路由器或(和)中間環(huán)節(jié)，信息流所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延就是控制過程中真實(shí)的 網(wǎng)絡(luò)時延，信息流傳輸過程中就已實(shí)現(xiàn)了對其時延的補(bǔ)償功能.
第二步針對圖2所示的網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，實(shí)施本發(fā)明方法的時延補(bǔ)償如圖3所示.
在圖3中，從系統(tǒng)的輸入R(S)與輸出Y(S)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
權(quán)利要求
1.變送(控制)器與執(zhí)行器間帶雙控功能的時延補(bǔ)償方法，其特征在于該方法包括以 下步驟(1).當(dāng)變送(控制)器節(jié)點(diǎn)被周期采樣信號觸發(fā)時，將采用方式A進(jìn)行工作；(2).當(dāng)變送(控制)器節(jié)點(diǎn)將控制信號U1(s)通過前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)傳輸時， 將采用方式B進(jìn)行工作；(3).當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)被信號U1(s)觸發(fā)時，將采用方式C進(jìn)行工作.
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式A的步驟包括Al 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)工作于時間驅(qū)動方式，其觸發(fā)信號為周期采樣信號； A2 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，對被控對象G(S)的輸出信號Y(S)和被控對象預(yù)估 模型Gm(s)的輸出信號ygm(s)進(jìn)行采樣；A3 將Y(S)和ygm(s)實(shí)施相減運(yùn)算，得到被控對象的模型偏差信號w(s)； A4 將系統(tǒng)給定信號R(S)與W(S) ^P yffl(s)實(shí)施相減運(yùn)算，得到誤差信號e (s)； A5 對e (s)實(shí)施控制算法C1 (s)，得到控制信號U1 (s) ·
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式B的步驟包括Bl 變送(控制)器節(jié)點(diǎn)將控制信號U1 (s)，通過前向網(wǎng)絡(luò)通路向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)傳輸.
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的補(bǔ)償方法，其特征在于所述方式C的步驟包括 Cl 執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，并被控制信號U1 (s)所觸發(fā)；C2 在執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)中，根據(jù)被控對象的模型偏差信號W(S)的大小，第二控制器C2 (s)實(shí) 施常規(guī)控制或智能控制策略，其輸出信號為U2(S)；C3 將U1(S)與1!2(8)的差值U3(S)作為執(zhí)行驅(qū)動信號，對被控對象G(S)實(shí)施控制； C4:完成對被控對象預(yù)估模型Gm(S)的輸出信號‘(S)的計(jì)算.
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于系統(tǒng)包含變送(控制)器、執(zhí)行器、第二控 制器、被控對象與其預(yù)估模型等單元，各單元依照各自設(shè)定的工作方式進(jìn)行工作.
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于用真實(shí)的從變送(控制)器到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn) 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(bǔ)償模型，從而在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間 網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償模型.
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于控制器C1(s)用于減少(消除)誤差信號 e(s)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響.
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于當(dāng)真實(shí)被控對象G(s)與其預(yù)估模型Gm(S) 無差(w(s) =0)時，可實(shí)現(xiàn)對前向網(wǎng)絡(luò)通路時延的完全補(bǔ)償，提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量；當(dāng)真實(shí) 被控對象G(S)與其預(yù)估模型Gm(s)有差(w(s)興0)時，第二控制器C2(S)可增強(qiáng)系統(tǒng)的魯 棒性和抗干擾能力.
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于從結(jié)構(gòu)上免除對變送(控制)器到執(zhí)行器 節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計(jì)或辨識，免除對變送(控制)器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)時鐘信號同 步的要求.
10.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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償方法的實(shí)施 與具體控制策略的選擇無關(guān)，與具體網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān).
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于方式A適用于變送(控制)器周期采樣并 對信號進(jìn)行處理；方式B適用于變送(控制)器傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；方式C適用于執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)實(shí)施第二控制與執(zhí)行功能。
全文摘要
本發(fā)明提出一種變送(控制)器與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)間帶雙控功能的時延補(bǔ)償方法，屬于網(wǎng)絡(luò)通信與控制技術(shù)交叉領(lǐng)域。它采用真實(shí)的變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)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(bǔ)償模型，免除對節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時延的測量、估計(jì)或辨識，免除對節(jié)點(diǎn)時鐘信號同步的要求。當(dāng)被控對象預(yù)估模型參數(shù)與其真實(shí)模型存在偏差時，第二控制器可增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力。采用本方法可降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)控制性能質(zhì)量。本發(fā)明適用于被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不完全確知，網(wǎng)絡(luò)僅存在于變送(控制)器節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延補(bǔ)償與控制。
文檔編號H04L7/00GK102033535SQ201010557550
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)