CN101995871A - 一种变送器与(控制)执行器节点间的网络时延补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变送器与(控制)执行器节点之间的网络时延补偿方法，属于网络控制系统技术领域。它采用真实的变送器节点与(控制)执行器节点之间的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型，免除对节点之间网络数据传输时延的测量、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求。采用本方法可降低时延对系统稳定性的影响，提高系统的控制性能质量。本发明适用于被控对象数学模型已知，网络仅存在于变送器节点与(控制)执行器节点之间，网络可存在一定量的数据丢包的网络控制系统时延动态补偿与控制。

Description

一种变送器与(控制)执行器节点间的网络时延补偿方法

技术领域

本发明涉及网络仅存在于变送器节点与(控制)执行器节点之间的网络控制系统时延补偿方法，属于网络通信，计算机技术和自动控制等多门学科的交叉领域.

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)，适用于本发明的网络控制系统典型结构框图如图1所示.

NCS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，同时也使系统的分析和设计变得异常地复杂.由于网络带宽有限并为系统各节点所共享，当变送器节点与(控制)执行器节点之间通过网络交换数据时，数据可能存在多包传输、多路径传输，而网络也可能存在拥塞、连接中断等现象，使得NCS丧失了定常性、完整性、因果性和确定性.时延的存在会降低系统的控制性能质量，甚至引起系统不稳定.

如果网络时延是分布特性已知的随机变量，则可把网络控制系统看成一个随机系统，可利用随机控制的理论和方法进行系统分析与设计，但由于网络时延与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓扑结构等因素有关，要事先完全确知其准确的概率分布是不可能的；当网络时延是时变、不确定时延时，可采用鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方法对具有时变时延的网络控制系统进行分析与设计，但由于单纯采用控制的方法来补偿网络时延，其前提是把网络时延的变化看成广义被控对象或其参数发生变化，进而引起系统误差变化，然后再实施智能等控制方法，因而是一种被动控制方法，其控制效果通常在时延较小时效果较好，但难以适应时延波动较大的情况.

针对如图2所示的网络仅存在于变送器与(控制)执行器节点之间的网络控制系统，其输入R(s)与输出Y(s)之间的闭环传递函数为

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{C\left(s\right)G\left(s\right)}{1+C\left(s\right)G\left(s\right)e^{-\mathrm{\τs}}}---\left(1\right)$

式中：C(s)是控制器；G(s)是被控对象；τ表示将网络数据从变送器节点传输到(控制)执行器节点时所产生的网络时延.

由于等式(1)所示的闭环传递函数的分母中存在网络时延τ的指数项e^-τs，时延的存在将恶化系统的控制性能质量，甚至导致系统失去稳定性，严重时可使系统出现故障.

降低时延对系统稳定性影响的关键，就在于能否实现将变送器节点与(控制)执行器节点之间的网络时延τ的指数项e^-τs从等式(1)的分母中去除，即实现闭环特征方程中不包含网络时延的指数项，进而实现对网络时延的补偿作用.然而，要实现对网络时延的补偿，首先必须知道网络时延的大小.目前，国内外通常采用的方法是通过对网络时延τ的测量，来补偿时延对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延的准确测量需要满足节点时钟信号同步的要求，若采用硬件来实现节点时钟信号完全同步，则需要较大的经济投入；若采用软件校正时钟信号，则由于校正信号在节点间传输时，可能遭遇网络时延的影响，难以实现节点时钟完全同步；若采用对网络时延进行估计、辨识或预测的方法来获得网络时延的大小，则必须知道网络时延的准确概率分布，或准确的数学模型，但由于网络时延的大小可能是随机的，也可能是时变的，其值与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓扑结构等因素有关，对网络时延的估计或辨识都可能存在误差.

因此，如何免除对变送器节点与(控制)执行器节点时钟信号同步的要求，免除对变送器节点与(控制)执行器节点之间网络时延的估计或辨识，同时又能获得节点之间准确的时延值，进而实现对变送器节点与(控制)执行器节点之间网络时延的补偿与控制，已成为网络控制系统研究与应用中需要解决的关键问题之一.

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种涉及网络仅存在于变送器节点与(控制)执行器节点之间的网络控制系统时延补偿方法.

本发明的目的：

针对网络仅存在于变送器节点与(控制)执行器节点之间的网络控制系统中，网络时延“测不准”的难题，本发明提出了一种免除对节点时钟信号同步的要求，同时也免除对其节点之间网络时延的测量、估计或辨识的时延补偿方法，实现对网络时延的实时、在线和动态的补偿.

本发明采用的方法是：

第一步：采用变送器节点到(控制)执行器节点之间真实的网络数据传输过程代替其间网络时延的补偿模型，从而在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型，因而无论从变送器节点到(控制)执行器节点之间的网络通路有多么复杂和不确定，也无论其间包括有多少个路由器或(和)中间环节，信息流所经历的网络时延就是控制过程中真实的网络时延，信息流传输过程中就已实现了对其时延的补偿功能.

第二步：针对图2所示的网络控制系统，实施本发明方法的时延补偿如图3所示.

在图3中，从系统的输入R(s)与输出Y(s)之间的闭环传递函数为

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{C\left(s\right)G\left(s\right)}{1+C\left(s\right)G_m\left(s\right)+C\left(s\right)(G\left(s\right)-G_m\left(s\right))e^{-\mathrm{\τs}}}---\left(2\right)$

当被控对象预估模型G_m(s)等于被控对象G(s)时，式(2)可化简为

$\frac{Y\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{C\left(s\right)G\left(s\right)}{1+C\left(s\right)G\left(s\right)}---\left(3\right)$

式(3)所示闭环传递函数的分母中，不包含网络时延τ的指数项e^-τs，即实现了在其闭环特征方程1+C(s)G(s)＝0中不包含网络时延的指数项，从而消除了网络时延对系统稳定性的影响，提高了系统的控制性能质量，实现了对网络时延的补偿功能.

当被控对象预估模型G_m(s)不等于被控对象G(s)时，控制器C(s)可减少模型偏差对系统动态性能的影响，同时增强系统的鲁棒性和抗干扰能力.

本发明的适用范围：

本发明适用于网络仅存在于变送器节点与(控制)执行器节点之间的网络控制系统中，网络可存在一定量的数据丢包，网络时延大于数个、乃至数十个采样周期的网络控制系统时延动态补偿与控制.

本发明的特征在于该方法包括以下步骤：

1、当变送器节点被周期采样信号触发时，将采用方式A进行工作；

2、当变送器节点将被控对象的模型偏差信号w(s)通过反馈网络通路向(控制)执行器节点传输时，将采用方式B进行工作；

3、当(控制)执行器节点被信号w(s)触发时，将采用方式C进行工作.

方式A的步骤包括：

A1：变送器节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期采样信号；

A2：变送器节点被触发后，对被控对象G(s)的输出信号Y(s)和被控对象预估模型G_m(s)的输出信号y_gm(s)进行采样；

A3：将Y(s)和y_gm(s)实施相减运算，得到被控对象的模型偏差信号w(s).

方式B的步骤包括：

B1：变送器节点将模型偏差信号w(s)，通过反馈网络通路向(控制)执行器节点传输.

方式C的步骤包括：

C1：(控制)执行器节点工作于事件驱动方式，被来自反馈网络通路的信号w(s)触发；

C2：将系统给定信号R(s)与w(s)和y_m(s)实施相减运算，得到误差信号e(s)；

C3：对e(s)实施控制算法C(s)，得到控制信号u(s)；

C4：将控制信号u(s)作为执行驱动信号，对被控对象G(s)实施控制；

C5：完成对被控对象预估模型G_m(s)的输出信号y_gm(s)的计算.

4、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于系统包含变送器、(控制)执行器、被控对象及其预估模型等单元，各单元依照各自设定的工作方式进行工作.

5、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用真实的从变送器节点到(控制)执行器节点之间的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型，从而在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.

6、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于当真实被控对象G(s)与其预估模型G_m(s)无差(w(s)＝0)时，可实现对反馈网络通路时延的完全补偿，提高系统的控制质量.

7、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于当真实被控对象G(s)与其预估模型G_m(s)有差(w(s)≠0)时，控制器C(s)可减少模型偏差对系统动态性能的影响，同时增强系统的鲁棒性和抗干扰能力.

8、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对变送器节点到(控制)执行器节点之间的网络时延的测量、估计或辨识.

9、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对变送器节点和(控制)执行器节点时钟信号同步的要求.

10、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上实现网络时延补偿方法的实施与具体控制策略的选择无关.

11、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上实现网络时延补偿方法的实施与具体网络通信协议的选择无关.

12、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式A适用于变送器节点周期采样并对信号进行处理.

13、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式B适用于变送器节点传输网络数据.

14、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式C适用于(控制)执行器节点实施控制算法并对信号进行处理.

本发明具有如下优点：

1、由于从结构上免除对网络时延的测量、估计或辨识，免除了节点时钟信号同步的要求，进而避免了时延估计模型不准确造成的估计误差，避免了对时延辨识所需耗费节点存贮资源的浪费，同时还避免了由于时延造成的“空采样”或“多采样”带来的补偿误差.

2、由于从结构上实现与具体的网络通信协议的选择无关，因而既适用于采用有线网络协议的网络控制系统，亦适用于无线网络协议网络控制系统；既适用于确定性网络协议，亦适用于非确定性的网络协议.

3、由于从结构上实现了与具体的控制策略的选择无关，因而既可用于采用常规控制的网络控制系统，亦可用于采用智能控制或采用复杂控制策略的网络控制系统.

4、本发明方法既可用于常数时延(包括无传输时延)，亦可用于随机、时变和不确定的网络时延补偿.

5、由于本发明采用的是“软”改变控制系统结构的补偿方法，因而在其实现过程中无需再增加任何硬件设备，利用现有网络控制系统智能节点自带的软件资源，就足以实现其补偿功能，因而可节省硬件投资，便于推广和应用.

附图说明

图1为网络仅存在于变送器与(控制)执行器节点间的网络控制系统方框图.

图2为网络仅存在于变送器与(控制)执行器节点间的网络控制系统结构图.

图3为本发明所述的一种变送器与(控制)执行器节点间的网络时延补偿方法结构图.

在图1网络仅存在于变送器与(控制)执行器节点间的网络控制系统方框图中，系统包含输入信号R，输出信号Y，被控对象(G)，变送器(S)，反馈网络通路，(控制)执行器(C/A)等单元.其中：

变送器(S)节点采用时间驱动方式进行工作，触发周期为h，对被控对象(G)实施周期采样.

(控制)执行器(C/A)节点采用事件驱动方式进行工作，由变送器(S)节点的输出信号通过反馈网络通路来触发，其节点输出信号改变被控对象(G)的状态，实现对被控对象(G)的控制作用.

图1中的变送器(S)节点，(控制)执行器(C/A)节点都是智能节点，不仅具备存贮运算功能与通信功能，而且还具备软件组态与控制功能，这些节点包括现已广泛应用的工业现场总线控制系统(FCS)和集散控制系统(DCS)中常见的智能节点或智能设备等硬件.

在图2网络仅存在于变送器与(控制)执行器节点间的网络控制系统结构图中：系统包含输入信号R，输出信号Y，被控对象(G)，反馈网络延迟e^-τs，控制器C等单元.

图2中数据的传输经历着从变送器节点到(控制)执行器节点之间的网络传输时延τ的影响，时延与具体的网络协议、网络负载大小以及网络拓扑结构等因素有关，呈现出或定常、或随机、或时变、或不确定等特性，对于网络时延的测量、或估计、或观测、或辨识成为实现对其补偿的关键前提条件.然而，通过网络连接的各个节点的分布性使得网络控制系统中的各个节点很难满足时钟同步的要求，同时，由于网络时延的随机性和突发性，要做到每一步都能准确预测是不可能的.

在图3本发明所述的变送器与(控制)执行器节点间的网络时延补偿方法结构图中：系统包含输入信号R，输出信号Y，被控对象(G)，被控对象预估模型(G_m)，反馈网络延迟e^-τs和控制器C等单元.

由于图3中不含网络时延的预估模型，免除了对随机、时变或不确定性网络时延τ的测量、估计、观测或辨识，同时也免除了对变送器节点和(控制)执行器节点时钟信号同步的要求，实现了将网络时延τ的指数项e^-τs从闭环特征方程中消除，从而降低了时延对系统稳定性的影响，提高了系统的控制性能质量，实现了对网络时延的补偿与控制.

具体实施方式

下面将通过参照附图3详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点.

具体实施步骤如下所述：

第一步：工作于时间驱动方式的变送器节点对被控对象G(s)的输出信号Y(s)和被控对象预估模型Gm(s)的输出信号y_gm(s)进行周期采样；对Y(s)和y_gm(s)实施相减运算，得到模型偏差信号w(s)；将w(s)通过反馈网络通路向(控制)执行器节点传送；

第二步：工作于事件驱动方式的(控制)执行器节点被反馈网络通路信号w(s)触发；将系统给定信号R(s)与w(s)和y_m(s)实施相减运算，得到误差信号e(s)；对e(s)实施控制算法C(s)，得到控制信号u(s)；将u(s)作为执行驱动信号，对被控对象G(s)实施控制作用.同时，完成对被控对象预估模型G_m(s)的输出信号y_gm(s)的计算.

第三步：返回第一步.

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内.

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种变送器与(控制)执行器节点间的网络时延补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1).当变送器节点被周期采样信号触发时，将采用方式A进行工作；

(2).当变送器节点将被控对象的模型偏差信号w(s)通过反馈网络通路向(控制)执行器节点传输时，将采用方式B进行工作；

(3).当(控制)执行器节点被信号w(s)触发时，将采用方式C进行工作.

2.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式A的步骤包括：

A1：变送器节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期采样信号；

A2：变送器节点被触发后，对被控对象G(s)的输出信号Y(s)和被控对象预估模型G_m(s)的输出信号y_gm(s)进行采样；

A3：将Y(s)和y_gm(s)实施相减运算，得到被控对象的模型偏差信号w(s).

3.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式B的步骤包括：

B 1：变送器节点将模型偏差信号w(s)，通过反馈网络通路向(控制)执行器节点传输.

4.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式C的步骤包括：

C1：(控制)执行器节点工作于事件驱动方式，被来自反馈网络通路的信号w(s)触发；

C2：将系统给定信号R(s)与w(s)和y_m(s)实施相减运算，得到误差信号e(s)；

C3：对e(s)实施控制算法C(s)，得到控制信号u(s)；

C4：将控制信号u(s)作为执行驱动信号，对被控对象G(s)实施控制；

C5：完成对被控对象预估模型G_m(s)的输出信号y_gm(s)的计算.

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于系统包含变送器、(控制)执行器、被控对象及其预估模型等单元，各单元依照各自设定的工作方式进行工作.

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用真实的从变送器节点到(控制)执行器节点之间的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型，从而在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当真实被控对象G(s)与其预估模型G_m(s)无差(w(s)＝0)时，可实现对反馈网络通路时延的完全补偿，提高系统的控制质量；当真实被控对象G(s)与其预估模型G_m(s)有差(w(s)≠0)时，控制器C(s)可减少模型偏差对系统动态性能的影响，同时增强系统的鲁棒性和抗干扰能力.

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上免除对变送器节点到(控制)执行器节点之间的网络时延的测量、估计或辨识，免除对变送器节点和(控制)执行器节点时钟信号同步的要求.

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上实现网络时延补偿方法的实施与具体控制策略的选择无关，与具体网络通信协议的选择无关.

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于方式A适用于变送器节点周期采样并对信号进行处理；方式B适用于变送器节点传输网络数据；方式C适用于(控制)执行器节点实施控制算法并对信号进行处理。

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