[发明专利]网络串级控制系统外前向与内反馈通路未知时延补偿方法

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

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).网络控制系统可实现复杂大系统及远程网络控制，实现网络资源共享，增加系统的柔性和可靠性，同时也可使系统的分析和设计变得异常地复杂.近几年来，网络控制系统已被广泛应用于电力、高速铁路、兵器系统、海洋环境监测、机器人、工业远程控制、远程医疗、远程教学、楼宇自动化、家庭自动化、农业自动化、智能汽车、航空航天、无线传感器网络中.

然而，由于实际网络通信带宽资源和承载能力有限，数据的传输不可避免地存在网络诱导时延和数据丢包等问题.网络时延的存在将严重恶化系统的控制质量，甚至导致系统不稳定.当网络时延呈未知时，至今国内外尚无较好的控制策略或补偿方法来满足控制质量的要求.对于网络时延的研究，已成为网络控制系统中特别难点的问题.

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、未知或随机，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