[发明专利]网络串级控制系统外反馈与内回路未知网络时延补偿法

说明书

技术领域

本发明涉及网络串级控制系统外反馈与内回路未知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

通过网络形成闭环的控制系统称为网络控制系统(networked control system，NCS).一方面，网络控制系统将闭环控制回路分散于实时串行网络上，突破了传统控制系统在空间物理位置上的限制以及信息的封闭和局限性，具备了传统控制系统无法比拟的优点.例如可实现资源共享和远程操作与控制，具有较高的诊断能力，安装与维护简便，能有效减少系统的重量和体积，提高系统的灵活性和可靠性.但是，将通信网络引入控制系统使得系统呈现出许多复杂的特性，公用数据网络中除传送闭环控制系统的控制信息之外，还需要传送许多与控制任务无关的其他数据，由于网络带宽有限，资源竞争和网络拥塞等现象不可避免地会造成数据传输时延.网络时延的存在不但会降低系统的控制性能，还会导致系统不稳定.

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，对网络串级控制系统的研究较少.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