[发明专利]网络串级控制系统前向通路非确定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

基于实时通信网络构成的闭环反馈控制系统称为网络控制系统(Networked control systems，NCS)，网络控制系统通常由变送器、控制器、执行器等节点所构成.与传统的点对点结构的系统相比，网络控制系统能使复杂的控制系统实现水平与垂直方向的集成，增强了系统的灵活性，提高了系统的可诊断性和维护性，降低了安装费用.但是，由于通信带宽的约束，各节点之间竞争通信资源，信息传输时必定会产生网络时延，时延的存在将降低系统的性能，甚至引起系统不稳定.

随着控制、网络及通信技术的发展与相互渗透，控制系统的结构越来越复杂，空间分布越来越广泛，对系统控制性能的要求越来越严格.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主要在于：

(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