[发明专利]网络串级控制系统外反馈与内回路时变网络时延补偿法

说明书

技术领域

本发明涉及网络串级控制系统中，外反馈与内回路网络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

反馈回路通过网络连接的实时分布式控制系统称为网络控制系统(Networked Control Systems，NCS).这种系统在大型工业过程控制系统、楼宇自动化、智能车辆系统、航天器、舰船以及远程操作机器人等领域正在或将要得到应用.

NCS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，NCS在通过共享网络资源给控制系统带来各种便利的同时，也给系统和控制理论的研究带来了新的挑战.网络时延、丢包与多包传输问题使得网络控制系统的分析变得更加复杂.其中控制器、执行器和变送器之间的时延是由信道竞争、物理信号编码和通信协议处理等带来的额外开销.时延在不同程度上降低了系统的控制性能，甚至造成系统的不稳定.尤其当网络上存在多个控制回路时，网络时延会使各回路之间产生耦合，从而使网络控制系统的分析和设计更加复杂.因此，网络时延是NCS分析与设计的关键因素之一，必须尽量减小时延，降低其不确定性，以克服其对控制系统的不利影响.

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