[发明专利]网络串级控制系统外前向与内反馈通路时变时延补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络串级控制系统外前向与内反馈通路时变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

网络控制系统(Networked control systems，NCS)是一种全分布式、网络化实时反馈控制系统.网络控制系统是自动化领域又一次深刻的变革，它顺应了工业控制系统逐渐地向分散化、网络化、智能化方向发展的趋势，具有低成本、低功耗、易维护性、高可靠性等诸多优势，已越来越广泛应用于工业过程控制、能源交通、航空航天及远程控制等领域.

由于网络的引入，使得控制系统中信息传输过程中存在网络时延，该时延可能是固定的、也可能是时变的.网络时延的存在将使系统的性能变差甚至使系统不稳定，因此控制系统设计时必须考虑网络诱导时延的影响，这也是网络控制系统中最受关注的基本问题之一.

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)器节点与执行(副控制)器节点之间(外前向网络)，以及副变送器节点与执行(副控制)器节点之间(内反馈网络)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