[发明专利]网络串级控制系统前向通路时变性网络时延补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络串级控制系统前向通路时变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

随着计算机网络技术的迅速发展，传统的控制系统逐渐被网络控制系统所代替.控制回路通过实时网 络闭合的反馈控制系统，称之为网络控制系统(Networked control systems，NCS).由于网络控制系统具有成 本低廉、维护方便等突出特点，已经在电力系统、石油化工等工业过程控制和能源交通、环境保护和国防 军事现代化中得到了广泛的应用，网络控制系统已经成为网络通信与控制领域的一个研究热点.

将网络引入控制系统的控制回路中，为工业过程控制实际应用带来了极大的便利，但也给控制系统的 分析和综合带来了巨大的挑战.传统的控制理论中所作的假设，如数据包的无时延、无差错、无丢失的准 确传输等假设已不再成立，系统的分析和设计变得异常地复杂.

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)器节点与副变送(控制)器节点之间(外前向网络)，以及副变送(控制)器 节点与执行器节点之间(内前向网络)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