[发明专利]一种变送(控制)器与执行器节点间的网络时延补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络仅存在于变送(控制)器节点与执行器节点之间的网络控制系统时延补偿方法，属于网络通信、计算机技术和控制技术等多门学科的交叉领域.

背景技术

随着计算机技术、网络通信技术和控制科学的日益发展与交叉渗透，控制系统的结构正变得越来越复杂，空间分布也越来越广，对系统控制性能的要求也越来越高.网络控制系统(Networked control systems，NCS)是集通信网络和控制系统于一体的复杂全分布式控制系统，是基于实时通信网络构成的闭环反馈控制系统，适用于本发明的网络控制系统典型结构框图如图1所示.

网络控制系统的优势在于可以实现资源共享和远程分布控制，系统构建模块化、集成化、成本低，故障诊断和维护方便、易扩展、灵活性强.然而，由于通信网络的带宽有限且为系统中个节点所共享，当变送(控制)器和执行器通过网络交换数据时，数据多路径传输、多包传输、数据碰撞、网络连接中断等现象是不可避免的，这使得网络控制系统产生一些亟待研究和解决的问题：不确定的数据传输、时变传输周期、数据传输时延等问题，使得网络控制系统丧失了定常性、完整性、因果性和确定性.传统的控制理论已不能直接用于网络控制系统的分析和设计，必须针对网络控制系统的特性，重新评估和建立网络控制系统的控制理论和控制方法.

针对如图2所示的网络仅存在于变送(控制)器与执行器节点间的网络控制系统，其输入R(s)与输出Y(s)之间的闭环传递函数为

Y(s)R(s)=C(s)e-τsG(s)1+C(s)e-τsG(s)---(1)]]>

式中：C(s)是控制器；G(s)是被控对象；τ表示将网络数据从变送(控制)器节点传输到执行器节点时所产生的网络时延.

由于等式(1)所示的闭环传递函数的分母中存在网络时延τ的指数项e^-τs，时延的存在将恶化系统的控制性能质量，甚至导致系统失去稳定性，严重时可使系统出现故障.

降低时延对系统稳定性影响的关键，就在于能否实现将变送(控制)器节点与执行器节点之间的网络时延τ的指数项e^-τs从等式(1)的分母中去除，即实现闭环特征方程中不包含网络时延的指数项，进而实现对网络时延的补偿作用.然而，要实现对网络时延的补偿，首先必须知道网络时延的大小.目前，国内外通常采用的方法是通过对网络时延τ的测量，来补偿时延对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延的准确测量需要满足节点时钟信号同步的要求，若采用硬件来实现节点时钟信号完全同步，则需要较大的经济投入；若采用软件校正时钟信号，则由于校正信号在节点间传输时，可能遭遇网络时延的影响，难以实现节点时钟完全同步；若采用对网络时延进行估计、辨识或预测的方法来获得网络时延的大小，则必须知道网络时延的准确概率分布，或准确的数学模型，但由于网络时延的大小可能是随机的，也可能是时变的，其值与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓扑结构等因素有关，对网络时延的估计或辨识都可能存在偏差.