CN102063107A - 一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法，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所有前向与反馈网络通路节点之间的网络数据传输过程，代替其间网络时延的补偿模型，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，改善系统控制性能品质。本发明适用于主副被控对象数学模型已知，网络同时存在于网络串级控制系统的所有前向与反馈通路中的随机性网络时延的动态补偿与控制。

Description

一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法

技术领域

本发明涉及一种网络串级控制系统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

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).网络控制系统充分体现了控制系统向网络化、集成化、分布化、节点智能化的方向发展，实现了网络资源共享，并增加了系统的柔性和可靠性.但是，由于网络带宽有限，信息的传送不可避免地会产生网络时延，时延的存在使得系统性能变差，严重时甚至影响到系统的稳定性同时，由于网络时延的随机性和不确定性，使得网络控制系统的分析和设计变得非常地困难.

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.

针对网络同时存在于所有前向与反馈通路中的网络串级控制系统如图2所示，其输入R(s)与输出Y₁(s)之间的闭环传递函为

$\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{C_1\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{1}s}{C}_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+C_1\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{1}s}{C}_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}+C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}{G}_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{4}s}}---\left(1\right)$

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控制器节点传输到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变送器节点传输到主控制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传输到副控制器节点所产生的随机性网络时延；τ₄表示将网络数据从副控制器节点传输到执行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和τ₂，τ₃和τ₄的指数项

和

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和τ₂，τ₃和τ₄的指数项

和

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和τ₂，τ₃和τ₄的测量，来补偿时延τ₁和τ₂，τ₃和τ₄对系统稳定性的影响.但是，由于对网络时延τ₁和τ₂，τ₃和τ₄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，如何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所有前向与反馈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，本发明提供了一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法.

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、主控制器、副变送器和执行器节点时钟信号同步的要求，同时也免除对网络串级控制系统中随机性网络时延的测量、估计或辨识的时延补偿方法，实现对所有前向与反馈通路中的网络时延分段、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：采用主变送器节点到主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：采用副变送器节点到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.

第三步：采用主控制器节点到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.无论从主控制器节点到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：采用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.

第五步：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)到输出Y₁(s)之间的闭环传递函数为

$\frac{Y_1\left(s\right)}{R\left(s\right)}=\frac{\frac{C_1\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{1}s}{C}_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}{G}_2\left(s\right)G_1\left(s\right)}{1+C_2\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}}{1+\frac{C_1\left(s\right)C_{2m}\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)G_{1m}\left(s\right)}{1+C_{2m}\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}+\frac{C_1\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{1}s}{C}_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}{G}_2\left(s\right)[G_1\left(s\right)-G_{1m}\left(s\right)]e^{-{\mathrm{\τ}}_{2}s}}{1+C_2\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}+\frac{C_2\left(s\right)e^{-{\mathrm{\τ}}_{3}s}[G_2\left(s\right)-G_{2m}\left(s\right)]e^{-{\mathrm{\τ}}_{4}s}}{1+C_2\left(s\right)G_{2m}\left(s\right)}}---\left(2\right)$

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

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

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和τ₂，τ₃和τ₄的指数项，即实现了闭环特征方程1+C₁(s)C₂(s)G₂(s)G₁(s)+C₂(s)G₂(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：

本发明适用于主副被控对象数学模型已知，网络同时存在于网络串级控制系统的所有前向与反馈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副控制器节点传输时，将采用方式D进行工作；

5、当主控制器节点被模型误差信号w₁(s)触发时，将采用方式E进行工作；

6、当主控制器节点通过外前向网络通路将控制信号u₁(s)向副控制器节点传输时，将采用方式F进行工作；

7、当副控制器节点被模型误差信号w₂(s)或(和)控制信号u₁(s)所触发时，将采用方式G进行工作；

8、当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H进行工作；

9、当执行器节点被控制信号u₂(s)触发时，将采用方式I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副控制器节点传输.

方式E的步骤包括：

E1：主控制器节点工作于事件驱动方式，并被来自外反馈网络通路的模型误差信号w₁(s)触发；

E2：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)；

E3：对e₁(s)实施主控制算法C₁(s)，得到控制信号u₁(s)；

E4：将u₁(s)作用于补偿单元C_2mG_2mG_1m/(1+C_2mG_2m)，其输出信号为m₁(s).

方式F的步骤包括：

F1：主控制器节点将控制信号u₁(s)，通过外前向网络通路向副控制器节点传输.

方式G的步骤包括：

G1：副控制器节点工作于事件驱动方式，并被来自内反馈网络通路的模型误差信号w₂(s)或(和)来自外前向网络通路的控制信号u₁(s)触发；

G2：将u₁(s)减去y_G2m(s)和模型误差信号w₂(s)，得到内回路误差信号e₂(s)；再将e₂(s)作用于副控制器C₂(s)，其输出为u₂(s).

方式H的步骤包括：

H₁：副控制器节点将控制信号u₂(s)，通过内前向网络通路向执行器节点传输.

方式I的步骤包括：

I1：执行器节点工作于事件驱动方式；

I2：执行器节点被控制信号u₂(s)触发；

I3：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；

I4：完成G_2m(s)的预估值y_2m(s)计算.

10、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、主控制器节点、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.

11、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用所有真实的外回路网络通路的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，其特征在于用所有真实的内回路网络通路的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网络串级控制系统所有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网络串级控制系统所有节点时钟信号同步的要求.

15、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.

16、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)相等，同时副控制器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回路和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.

17、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.

18、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.

19、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.

20、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.

21、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.

22、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式E适用于主控制器节点实施主控制算法，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F适用于主控制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G适用于副控制器节点实施副控制算法，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H适用于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I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内外回路中，所有网络通路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为网络存在于内外回路所有通路中的网络串级控制系统方框图.

图2为网络存在于内外回路所有通路中的网络串级控制系统结构图.

图3为本发明所述的一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法结构图.

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，主控制器(C₁)，外回路前向网络通路；副变送器(S₂)，内回路反馈网络通路，副控制器(C₂)，内回路前向网络通路，执行器(A)，副被控对象(G₂)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.

主控制器(C₁)节点采用事件驱动方式进行工作，由主变送器(S₁)节点的输出信号通过外反馈网络通路来触发.

副控制器(C₂)节点采用事件驱动方式进行工作，由副变送器(S₂)的输出信号通过内回路反馈网络通路，或(和)由主控制器(C₁)节点的输出信号通过外回路前向网络通路来触发.

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.

执行器(A)节点采用事件驱动方式进行工作，由副控制器(C₂)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，主控制器(C₁)节点，副控制器(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，数据传输过程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控制器节点所产生的随机性网络时延τ₂，从主控制器节点经外前向网络通路传输到副控制器节点所产生的随机性网络时延τ₁，从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，以及从副变送器节点经内反馈网络通路传输到副控制器节点所产生的随机性网络时延τ₄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，既不包含从主变送器节点经外反馈网络通路传输到主控制器节点之间的网络时延预估模型，也不包含从主控制器节点经外前向网络通路传输到副控制器节点之间的网络时延预估模型；同时也不包含从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和τ₂，τ₃和τ₄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、主控制器、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和τ₂，τ₃和τ₄的指数项

和

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和τ₂，τ₃和τ₄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_1m(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控制器节点；

第三步：工作于事件驱动方式的主控制器节点，被模型误差信号w₁(s)所触发；将系统给定信号R(s)，与w₁(s)和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)：同时，将u₁(s)作用于补偿单元C_2mG_2mG_1m/(1+C_2mG_2m)；

第四步：主控制器节点将u₁(s)通过外回路前向网络通路传输到副控制器节点；

第五步：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)；

第六步：副变送器节点将w₂(s)通过内回路反馈网络通路传输到副控制器节点；

第七步：工作于事件驱动方式的副控制器节点，被信号u₁(s)或(和)w₂(s)所触发；将u₁(s)与w₂(s)相减，得到误差信号e₂(s)；对e₂(s)实施C₂(s)控制，其输出信号为u₂(s)：一方面，将u₂(s)作为副被控对象的预估模型G_2m(s)的输入信号；另一方面，将u₂(s)通过内回路前向网络通路向执行器节点传输；

第八步：工作于事件驱动方式的执行器节点，被u₂(s)所触发；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.同时，在执行器节点中完成G_2m(s)的预估值y_2m(s)的计算；

第九步：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 (17)

1.一种网络串级控制系统随机性网络时延的补偿方法，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副控制器节点传输时，将采用方式D进行工作；

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

(6).当主控制器节点通过外前向网络通路将控制信号u₁(s)向副控制器节点传输时，将采用方式F进行工作；

(7).当副控制器节点被模型误差信号w₂(s)或(和)控制信号u₁(s)所触发时，将采用方式G进行工作；

(8).当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H进行工作；

(9).当执行器节点被控制信号u₂(s)触发时，将采用方式I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：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).

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：

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控制器节点传输.

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：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).

5.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式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副控制器节点传输.

6.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式E的步骤包括：

E1：主控制器节点工作于事件驱动方式，并被来自外反馈网络通路的模型误差信号w₁(s)触发；

E2：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)；

E3：对e₁(s)实施主控制算法C₁(s)，得到控制信号u₁(s)；

E4：将u₁(s)作用于补偿单元C_2mG_2mG_1m/(1+C_2mG_2m)，其输出信号为m₁(s).

7.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式F的步骤包括：

F1：主控制器节点将控制信号u₁(s)，通过外前向网络通路向副控制器节点传输.

8.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式G的步骤包括：

G1：副控制器节点工作于事件驱动方式，并被来自内反馈网络通路的模型误差信号w₂(s)或(和)来自外前向网络通路的控制信号u₁(s)触发；

G2：将u₁(s)减去y_G2m(s)和模型误差信号w₂(s)，得到内回路误差信号e₂(s)；再将e₂(s)作用于副控制器C₂(s)，其输出为u₂(s).

9.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式H的步骤包括：

H₁：副控制器节点将控制信号u₂(s)，通过内前向网络通路向执行器节点传输.

10.根据权利要求1所述的补偿方法，其特征在于所述方式I的步骤包括：

I1：执行器节点工作于事件驱动方式；

I2：执行器节点被控制信号u₂(s)触发；

I3：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；

I4：完成G_2m(s)的预估值y_2m(s)计算.

11.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、主控制器节点、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.

12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于用所有真实的外回路网络通路的数据传输过程代替其间网络时延补偿模型；用所有真实的内回路网络通路的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.

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于从结构上免除对所有网络节点之间网络时延的测量、观测、估计或辨识；免除对所有网络节点时钟信号同步的要求.

14.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.

15.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)相等，同时副控制器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回路和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.

16.根据权利要求1所述的方法，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.

17.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适用于主控制器节点实施主控制算法，并对信号进行处理；方式F适用于主控制器节点传输网络数据；方式G适用于副控制器节点实施副控制算法，并对信号进行处理；方式H适用于副控制器节点传输网络数据；方式I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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