CN102033530B - 网络串级控制系统外反馈与内回路随机性网络时延补偿法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种网络串级控制系统外反馈与内回路随机性网络时延补偿方法，属于网络控制系统技术领域.它采用真实的网络串级控制系统外反馈网络通路节点，以及内回路网络通路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随机性时延的测量、观测、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求.采用本方法可降低随机性网络时延对系统稳定性的影响，改善系统控制性能质量.本发明适用于主副被控对象数学模型已知，网络仅存在于网络串级控制系统外反馈与内回路网络通路中的随机性网络时延的动态补偿与控制。

Description

网络串级控制系统外反馈与内回路随机性网络时延补偿法

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随机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

由变送器、控制器与执行器等节点通过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).网络控制系统最早于1998年出现在美国马里兰大学Walsh的论著中，当时只用图示方法说明了网络化控制系统结构.与传统的点对点结构的系统相比，网络控制系统具有成本低、易于信息共享、易于扩展维护、灵活性大等优点，因此近几年来被广泛的应用于工业控制中.但由于网络通信带宽和承载能力有限，数据的传输不可避免地存在网络诱导时延、丢包等问题.

由于工程实际控制问题中往往存在时滞和不确定性，而时滞的存在往往会降低系统的性能甚至引起系统不稳定.网络系统所特有的一些性质(如时变延迟、丢包等)，使得对网络控制系统的研究出现了一些新的问题.

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、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

$\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{1}s}+C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}{G}_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}}---\left(1\right)$

式中：C₁(s)是主控制器，C₂(s)是副控制器；G₁(s)是主被控对象，G₂(s)是副被控对象；τ₁表示将网络数据从主变送器节点经外反馈网络通路传输到主(副)控制器节点所产生的随机性网络时延；τ₂表示将网络数据从主(副)控制器节点经内前向网络通路传输到执行器节点所产生的随机性网络时延；τ₃表示将网络数据从副变送器节点经内反馈网络通路传输到主(副)控制器节点所产生的随机性网络时延.

由于等式(1)所示的闭环传递函数的分母中包含网络时延τ₁，τ₂和τ₃的指数项

和

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，就在于能否实现将随机性网络时延τ₁，τ₂和τ₃的指数项

和

从等式(1)的分母中去除，即实现系统闭环特征方程中不包含所有网络时延的指数项，进而实现对网络时延的补偿.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τ₁，τ₂和τ₃的测量，来补偿时延τ₁，τ₂和τ₃对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延τ₁，τ₂和τ₃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、观测、辨识或预测的方法来获得网络时延的大小，则首先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、观测、辨识或预测都可能存在偏差.

因此，如何免除对节点时钟信号同步的要求，免除对节点之间网络时延的估计、观测、辨识或预测，同时又能获得节点之间准确的时延值，进而实现对网络串级控制系统外回路反馈通路以及整个内回路反馈与前向通路中随机性网络时延的补偿作用，已成为网络串级控制系统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外回路反馈通路，以及整个内回路反馈与前向通路中的网络串级控制系统随机性网络时延的动态补偿方法.

本发明的目的：

针对网络串级控制系统中，网络时延“测不准”的难题，本发明提出了一种免除对主变送器节点、主(副)控制器节点、副变送器节点和执行器节点时钟信号同步的要求，同时也免除对其节点之间(外回路反馈通路，以及整个内回路反馈与前向通路中)，随机性网络时延的测量、估计或辨识，实现对网络时延的分段、实时、在线和动态的补偿与控制.

本发明采用的方法是：

第一步：采用副变送器节点到主(副)控制器节点之间的真实网络数据传输过程代替其间网络时延的补偿模型，在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无论从副变送器节点到主(副)控制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：采用主(副)控制器节点到执行器节点之间的真实网络数据传输过程代替其间网络时延的补偿模型，在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无论从主(副)控制器节点到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.

第三步：采用主变送器节点到主(副)控制器节点之间的真实网络数据传输过程代替其间网络时延的补偿模型，在结构上实现系统不包含其间网络时延的补偿模型.无论从主变送器节点到主(副)控制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.

第四步：针对图2所示的网络串级控制系统，实施本发明方法的网络时延补偿结构如图3所示.

在图3中，从系统的输入R(s)与输出Y₁(s)之间的闭环传递函数为

$\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{\frac{C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+C_2\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}}{1+\frac{C_1\left(s\right)C_{2m}\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)G_{1m}\left(s\right)}{1+C_{2m}\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}+\frac{C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}{G}_2\left(s\right)[G_1\left(s\right)-G_{1m}\left(s\right)]e^{-{\mathrm{\τ}}_{1}s}}{1+C_2\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}+\frac{C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}[G_2\left(s\right)-G_{2m}\left(s\right)]e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}}{1+C_2\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}}---\left(2\right)$

当主副被控对象预估模型等于其真实模型，即G_1m(s)＝G₁(s)，G_2m(s)＝G₂(s)，副控制器满足C_2m(s)＝C₂(s)时，式(2)可化简为

$\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)+C_1\left(s\right)C_2\left(s\right)G_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}---\left(3\right)$

式(3)所示网络串级控制系统的闭环传递函数分母中，不包含网络时延τ₁，τ₂和τ₃的指数项

和

即实现了闭环特征方程1+C₂(s)G₂(s)+C₁(s)C₂(s)G₂(s)G₁(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，实现了对随机性网络时延的补偿功能.

本发明的适用范围：

本发明适用于网络串级控制系统中，主副被控对象数学模型已知，网络仅存在于网络串级控制系统外反馈与内回路网络通路中的随机性网络时延的动态补偿与控制.

本发明的特征在于该方法包括以下步骤：

1、当主变送器节点被采样周期h₁触发时，将采用方式A进行工作；

2、当主变送器节点将模型误差信号w₁(s)通过外反馈网络通路向主(副)控制器节点传输时，将采用方式B进行工作；

3、当副变送器节点被采样周期h₂触发时，将采用方式C进行工作；

4、当副变送器节点将模型误差信号w₂(s)通过内反馈网络通路向主(副)控制器节点传输时，将采用方式D进行工作；

5、当主(副)控制器节点被模型误差信号w₁(s)或(和)w₂(s)触发时，将采用方式E进行工作；

6、当主(副)控制器节点通过内前向网络通路将控制信号u₂(s)向执行器节点传输时，将采用方式F进行工作；

7、当执行器节点被控制信号u₂(s)触发时，将采用方式G进行工作.

方式A的步骤包括：

A1：主变送器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为h₁；

A2：主变送器节点被触发后，对主被控对象G₁(s)的输出信号Y₁(s)和主被控对象的预估模型G_1m(s)的输出信号y_1m(s)进行采样；

A3：对Y₁(s)和y_1m(s)实施相减运算，得到模型误差信号w₁(s).

方式B的步骤包括：

B1：主变送器节点将模型误差信号w₁(s)，通过外反馈网络通路向主(副)控制器节点传输.

方式C的步骤包括：

C1：副变送器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为h₂；

C2：副变送器节点被触发后，对副被控对象G₂(s)的输出信号Y₂(s)和副被控对象的预估模型G_2m(s)的输出信号y_2m(s)进行采样；

C3：对Y₂(s)和y_2m(s)实施相减运算，得到模型误差信号w₂(s).

方式D的步骤包括：

D1：副变送器节点将模型误差信号w₂(s)，通过内反馈网络通路向主(副)控制器节点传输.

方式E的步骤包括：

E1：主(副)控制器节点工作于事件驱动方式；

E2：主(副)控制器节点被模型误差信号w₁(s)或(和)w₂(s)触发；

E3：将系统给定信号R(s)与w₁(s)和m₁(s)实施相减运算，得到外回路系统误差信号e₁(s)；

E4：对e₁(s)实施主控制C₁(s)算法，得到控制信号u₁(s)；

E5：将u₁(s)作为给定信号，作用于副控制器预估算法C_2m(s)与副被控对象预估模型G_2m(s)构成的负反馈回路，其输出为y_cg2m(s)；再将y_cg2m(s)作用于G_1m(s)，其输出为m₁(s)；

E6：将u₁(s)减去y_G2m(s)和来自内反馈网络通路的模型误差信号w₂(s)，得到内回路误差信号e₂(s)；将e₂(s)作用于副控制C₂(s)后，其输出为u₂(s).

方式F的步骤包括：

F₁：主(副)控制器节点通过内前向网络通路将控制信号u₂(s)向执行器节点传输.

方式G的步骤包括：

G1：执行器节点工作于事件驱动方式；

G2：执行器节点被控制信号u₂(s)触发；

G3：将u₂(s)作为驱动信号，对副被控对象G₂(s)实施控制；从而改变G₂(s)的状态，进而改变G₁(s)的状态，实现对G₁(s)与G₂(s)的控制作用；

G4：完成对G_2m(s)的预估值y_2m(s)的计算.

8、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于主(副)控制器节点是由主控制器内嵌入副控制器所组成.即主控制器和副控制器共用同一个节点，构成主(副)控制器节点，并且主(副)控制器节点采用事件驱动触发工作方式(触发信号为模型误差信号w₁(s)或(和)w₂(s)).

9、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于系统包含主变送器节点、副变送器节点、主(副)控制器节点、执行器节点、主被控对象和副被控对象等单元，各单元依照各自设定的工作方式和功能进行工作.

10、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用真实的从主变送器节点到主(副)控制器节点之间外回路反馈网络通路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.

11、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用真实的从主(副)控制器节点到执行器节点之间内回路前向网络通路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.

12、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用真实的从副变送器节点到主(副)控制器节点之间内回路反馈网络通路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.

13、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对从主变送器节点到主(副)控制器节点之间网络时延的测量、观测、估计或辨识.

14、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对主(副)控制器节点到执行器节点之间网络时延的测量、观测、估计或辨识.

15、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于从结构上免除对副变送器节点到主(副)控制器节点之间网络时延的测量、观测、估计或辨识.

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

17、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C₁(s)和C₂(s)的选择无关，与具体网络通信协议的选择无关.

18、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于当主副被控对象G₁(s)、G₂(s)与其预估模型G_1m(s)、G_2m(s)以及副控制器C₂(s)与其预估模型C_2m(s)相等时，可实现对网络串级控制系统外反馈与内回路网络通路随机性网络时延的完全补偿，提高系统的控制性能质量.

19、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于采用的是“软”改变控制系统结构的补偿方法，无需再增加任何硬件设备，利用现有网络串级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.

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

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

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

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

24、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式E适用于主(副)控制器节点实施主(副)控制算法，并对信号进行处理.

25、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式F适用于主(副)控制器节点传输网络数据.

26、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式G适用于执行器节点对副被控对象G₂(s)实施控制，并对信号进行处理.

本发明具有如下优点：

1、由于从结构上免除了对外回路反馈通路以及整个内回路反馈与前向通路中随机性网络时延的测量、观测、估计或辨识，同时还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、由于从结构上实现了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串级控制系统，亦适用于无线网络协议的网络串级控制系统；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网络通信协议的选择无关，因而既适用于基于有线网络协议的异构网络串级控制系统，亦适用于基于无线网络协议的异构网络串级控制系统，同时还适用于异质(如有线与无线混杂)的网络串级控制系统的时延补偿.

4、由于从结构上实现了与具体的主(副)控制器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串级控制系统，亦可用于采用智能控制或采用复杂控制策略的网络串级控制系统.

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，利用现有网络串级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为网络仅存在于外回路反馈通路以及整个内回路反馈与前向通路的网络串级控制系统方框图.

图2为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的网络串级控制系统结构图.

图3为本发明所述的网络串级控制系统外反馈与内回路随机时延补偿方法结构图

在图1的方框图中，系统由输入信号(R)，主被控对象(G₁)，主变送器(S₁)，外回路反馈网络通路，主(副)控制器(C₁/C₂)；副被控对象(G₂)，副变送器(S₂)，内回路反馈网络通路，内回路前向网络通路，执行器(A)等单元所组成.

主变送器(S₁)节点采用时间驱动方式进行工作，触发周期为h₁，对主被控对象(G₁)实施周期采样，并对采样信号进行处理.

主(副)控制器(C₁/C₂)节点由主控制器(C₁)中内嵌入副控制器(C₂)组成，即主控制器(C₁)和副控制器(C₂)共用同一个节点.节点采用事件驱动方式进行工作，并由主变送器(S₁)节点的输出信号通过外反馈网络通路或(和)由副变送器(S₂)的输出信号通过内回路反馈网络通路来触发.

副变送器(S₂)节点采用时间驱动方式进行工作，触发周期为h₂，对副被控对象(G₂)实施周期采样，并对采样信号进行处理.

执行器(A)节点采用事件驱动方式进行工作，由主(副)控制器节点通过内回路前向网络通路的控制信号来触发，驱动执行机构从而改变副被控对象(G₂)的状态，进而改变主被控对象(G₁)的状态.

图1中系统的主变送器(S₁)节点，副变送器(S₂)节点，主(副)控制器(C₁/C₂)节点以及执行器(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的系统中，数据传输中的随机性网络时延对于系统的稳定性和控制性能质量有着显著的影响.网络串级控制系统的数据传输经历着从主变送器节点经外反馈网络通路传输到主(副)控制器节点所产生的随机性网络时延τ₁，从主(副)控制器节点经内前向网络通路传输到执行器节点所产生的随机性网络时延τ₂，以及从副变送器节点经内反馈网络通路传输到主(副)控制器节点所产生的随机性网络时延τ₃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，对于网络时延的测量、或估计、或观测、或辨识已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串级控制系统中的各个节点很难满足时钟信号同步的要求，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的系统中，不包含从主变送器节点经外反馈网络通路传输到主(副)控制器节点之间的网络时延预估模型，也不包含从主(副)控制器节点经内前向网络通路传输到执行器节点之间的网络时延预估模型，以及从副变送器节点经内反馈网络通路传输到主(副)控制器节点之间的网络时延预估模型.免除了对随机性网络时延τ₁，τ₂和τ₃的测量、估计、观测或辨识，同时也免除了对(主变送器、副变送器、主(副)控制器、执行器)节点时钟信号同步的要求.当主副被控对象预估模型与其真实模型，以及副控制器及其预估模型相等时，可实现从系统的输入信号R(s)到系统的输出信号Y₁(s)的闭环传递函数中，将网络时延τ₁，τ₂和τ₃的指数项

和

从分母中消除，即实现闭环特征方程中不包含网络时延τ₁，τ₂和τ₃的指数项，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，实现对随机性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主变送器节点对主被控对象G₁(s)的输出信号Y₁(s)和其预估模型G_lm(s)的输出信号y_1m(s)进行周期采样(采样周期为h₁)，并对Y₁(s)和y_1m(s)实施相减运算，得到模型误差信号w₁(s)；

第二步：主变送器节点将w₁(s)通过外回路反馈网络通路传输到主(副)控制器节点；

第三步：工作于时间驱动方式的副变送器节点对副被控对象G₂(s)的输出信号Y₂(s)和其预估模型G_2m(s)的输出信号y_2m(s)进行周期采样(采样周期为h₂)，并对Y₂(s)和y_2m(s)实施相减运算，得到模型偏差信号w₂(s)；

第四步：副变送器节点将w₂(s)通过内回路反馈网络通路传输到主(副)控制器节点；

第五步：工作于事件驱动方式的主(副)控制器节点，被模型误差信号w₁(s)或(和)w₂(s)所触发；主(副)控制器节点根据系统给定信号R(s)，对w₁(s)与节点内补偿单元输出信号m₁(s)相减，得到误差信号e₁(s)；对e₁(s)实施C₁(s)控制，其输出信号为u₁(s)：一方面，将u₁(s)作为本节点内由副控制器的预估模型C_2m(s)和副被控对象的预估模型G_2m(s)构成的负反馈回路的给定输入信号；另一方面，将u₁(s)与w₂(s)和y_G2m(s)相减，得到误差信号e₂(s)，并对e₂(s)实施C₂(s)控制，其输出信号为u₂(s)；

第六步：通过内回路前向网络通路将u₂(s)传输到执行器节点，并触发其节点处于工作状态；u₂(s)驱动执行机构，从而改变副被控对象G₂(s)的状态，进而改变主被控对象G₁(s)的状态；

第七步：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 (9)

1.网络串级控制系统外反馈与内回路随机性网络时延补偿法，其特征在于该方法包括以下步骤： 

(1).当主变送器节点被采样周期h₁触发时，将采用方式A进行工作； 

(2).当主变送器节点将模型误差信号w₁(s)通过外反馈网络通路向主或副控制器节点传输时，将采用方式B进行工作； 

(3).当副变送器节点被采样周期h₂触发时，将采用方式C进行工作； 

(4).当副变送器节点将模型误差信号w₂(s)通过内反馈网络通路向主或副控制器节点传输时，将采用方式D进行工作； 

(5).当主或副控制器节点被模型误差信号w₁(s)或/和w₂(s)触发时，将采用方式E进行工作； 

(6).当主或副控制器节点通过内前向网络通路将控制信号u₂(s)向执行器节点传输时，将采用方式F进行工作； 

(7).当执行器节点被控制信号u₂(s)触发时，将采用方式G进行工作； 

所述方式A的步骤包括： 

A1：主变送器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为h₁； 

A2：主变送器节点被触发后，对主被控对象G₁(s)的输出信号Y₁(s)和主被控对象的预估模型G_1m(s)的输出信号y_1m(s)进行采样； 

A3：对Y₁(s)和y_1m(s)实施相减运算，得到模型误差信号w₁(s)； 

所述方式B的步骤包括： 

B1：主变送器节点将模型误差信号w₁(s)，通过外反馈网络通路向主或副控制器节点传输； 

所述方式C的步骤包括： 

C1：副变送器节点工作于时间驱动方式，其触发采样周期为h₂； 

C2：副变送器节点被触发后，对副被控对象G₂(s)的输出信号Y₂(s)和副被控对象的预估模型G_2m(s)的输出信号y_2m(s)进行采样； 

C3：对Y₂(s)和y_2m(s)实施相减运算，得到模型误差信号w₂(s)； 

所述方式D的步骤包括： 

D1：副变送器节点将模型误差信号w₂(s)，通过内反馈网络通路向主或副控制器节点传输； 

所述方式E的步骤包括： 

E1：主或副控制器节点工作于事件驱动方式； 

E2：主或副控制器节点被模型误差信号w₁(s)或/和w₂(s)触发； 

E3：将系统给定信号R(s)与w₁(s)和m₁(s)实施相减运算，得到外回路误差信号e₁(s)； 

E4：对e₁(s)实施主控制C₁(s)算法，得到控制信号u₁(s)； 

E5：将u₁(s)作为给定信号，作用于副控制器预估算法C_2m(s)与副被控对象预估模型G_2m(s)构成的负反馈回路，其输出为y_cg2m(s)；再将y_cg2m(s)作用于G_1m(s)，其输出为m₁(s)； 

E6：将u₁(s)减去y_G2m(s)和来自内反馈网络通路的模型误差信号w₂(s)，得到内回路误差信号e₂(s)；将e₂(s)作用于副控制C₂(s)算法后，其输出为u₂(s)； 

所述方式F的步骤包括： 

F1：主或副控制器节点通过内前向网络通路将控制信号u₂(s)向执行器节点传输； 

所述方式G的步骤包括： 

G1：执行器节点工作于事件驱动方式； 

G2：执行器节点被控制信号u₂(s)触发； 

G3：将u₂(s)作为驱动信号，对副被控对象G₂(s)实施控制，从而改变G₂(s)的状态，进而改变G₁(s)的状 态，实现对G₁(s)与G₂(s)的控制作用； 

G4：完成对G_2m(s)的预估值y_2m(s)的计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于主或副控制器节点是由主控制器内嵌副控制器所组成，即主控制器和副控制器共用同一个节点，构成主或副控制器节点，并且主或副控制器节点采用事件驱动触发工作方式，其触发信号为模型误差信号w₁(s)或/和w₂(s)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于系统包含主变送器节点、副变送器节点、主或副控制器节点、执行器节点、主被控对象和副被控对象单元，各单元依照各自设定的工作方式进行工作。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用真实的从主变送器节点到主或副控制器节点之间外回路反馈网络通路的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型；以及用真实的主或副控制器节点到执行器节点之间内回路前向网络通路的网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型；用真实的副变送器节点到主或副控制器节点之间内回路反馈网络通路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网络时延的补偿模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上免除对从主变送器节点到主或副控制器节点之间，从主或副控制器节点到执行器节点之间，以及副变送器节点到主或副控制器节点之间网络时延的测量、观测、估计或辨识；免除对主变送器节点、副变送器节点、主或副控制器节点和执行器节点时钟信号同步的要求。

6.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C₁(s)和C₂(s)的选择无关，与具体网络通信协议的选择无关。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于当主副被控对象G₁(s)、G₂(s)与其预估模型G_1m(s)、G_2m(s)以及副控制器C₂(s)与其预估模型C_2m(s)相等时，可实现对网络串级控制系统外反馈与内回路网络通路随机性网络时延的完全补偿，提高系统的控制性能质量。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于采用的是“软件”改变控制系统结构的补偿方法，无需再增加任何硬件设备，利用现有网络串级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。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于方式A适用于主变送器节点周期采样并对信号进行处理；方式B适用于主变送器节点传输网络数据；方式C适用于副变送器节点周期采样并对信号进行处理；方式D适用于副变送器节点传输网络数据；方式E适用于主或副控制器节点实施主或副控制算法，并对信号进行处理；方式F适用于主或副控制器节点传输网络数据；方式G适用于执行器节点对副被控对象G₂(s)实施控制，并对信号进行处理。

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