[发明专利]网络串级控制系统外前向与内反馈通路随机时延补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络串级控制系统外前向与内反馈通路随机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

近年来，计算机网络技术的飞速发展，引发了控制技术的深刻变革及其相应控制新理论的产生.通过网络形成闭环的反馈控制系统被称为网络控制系统(Network control systems，NCS).

网络控制系统的研究是从20世纪90年代中后期发展起来的，它已成为当前自动控制和网络通信技术发展的热点之一.网络控制系统具有系统连线少、扩展方便、诊断维护简单、灵活性高、可实现资源共享及远程控制等优点，已广泛地应用于自动化制造工厂、电厂、机器人、航天航空和电气化运输等许多复杂的工业过程中.

网络控制系统主要研究如何实现对控制系统进行实时可靠的网络控制，而网络自身特点造成了网络控制系统的复杂性.网络上多用户共享通信线路且流量变化不规则，传输数据流经众多计算机和通信设备且路径不是唯一的，数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致时序错乱、数据包丢失.因此，网络控制系统中的数据传输必然存在时延、丢包、多包传输和网络调度等问题，系统设计时必须考虑并解决由此产生的网络带宽和实时性问题.

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)器节点与执行(副控制)器节点之间(外前向网络)，以及副变送器节点与执行(副控制)器节点之间(内反馈网络)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