[发明专利]网络串级控制系统外反馈与内回路非确定性网络时延补偿法

说明书

技术领域

本发明涉及网络串级控制系统中，外反馈与内回路网络通路非确定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

控制回路是通过实时网络闭合的，称之为网络控制系统(Networked Control Systems，NCS).网络控制系统因其可以大大减少系统布线，降低系统成本，提高系统可靠性和灵活性，便于系统诊断和维护，在航空器、宇宙飞船、化工厂、电力系统等领域中得到了广泛的应用.

网络控制系统的一个重要特征是闭环控制回路中的传感信息和控制信息均是通过实时网络传输的，由于控制回路中插入了实时网络，不可避免地带来了网络诱导时延和数据包丢失等一系列问题.网络时延的存在往往会降低系统的性能甚至引起系统不稳定.

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.

对于网络时延研亢的难点在于：

(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.

针对网络仅存在于外回路反馈通路以及整个内回路反馈与前向通路中的如图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