[發明專利]分層結構中變送(控制)器與執行器間網絡時延補償方法

無效

• 申請號: 201010557725.2
• 申請日: 2010-11-18
• 公開（公告）號: CN101995874A
• 公開（公告）日: 2011-03-30
• 發明（設計）人: 杜鋒;陳褒丹;杜育寬;杜文才
• 申請（專利權）人: 海南大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;H04L7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及分層結構網絡控制系統中，網絡存在于變送(控制)器與執行器節點之間的網絡時延補償方法，屬于網絡控制系統技術領域.

背景技術

網絡控制系統(Networked?control?systems，NCS)是指被控對象和控制器通過網絡相連接，適用于本發明的網絡控制系統典型結構框圖如圖1所示.

網絡控制系統的特點是信息(參考輸入、系統輸出、控制輸入等)通過網絡在系統元件(傳感(控制)器、執行器)間交換.它具有很多的優點，如低成本、易安裝維護、系統結構更靈活等，使不同地點的用戶實現資源共享和協調操作，現已被廣泛使用在工業過程控制、國防軍事、航空航天、能源交通、環境保護等領域中.

在控制網絡系統中，所有的信息都通過總線進行傳輸.一方面，隨著網絡的引入，信息傳輸不確定性問題也出現在控制系統中，這樣會增加控制系統的分析和設計的復雜性.另一方面，由于網絡中的信息源很多，在傳輸時信息要分時占用總線，而網絡的通信帶寬有限，這就使其傳輸不可避免地存在著時延.時延的存在會給系統帶來相位上的滯后，而相位滯后是導致系統不穩定的一個重要因素.如何克服網絡時延所帶來的問題，從而確保整個系統的穩定性，是一個需要解決的重要問題.

針對如圖2所示的網絡僅存在于變送(控制)器與執行器節點間的網絡控制系統，其輸入R(s)與輸出Y(s)之間的閉環傳遞函數為

Y(s)R(s)=C1(s)e-τsG(s)1+C1(s)e-τsG(s)---(1)]]>

式中：C(s)是控制器；G(s)是被控對象；τ表示將網絡數據從變送(控制)器節點傳輸到執行器節點時所產生的網絡時延.

由于等式(1)所示的閉環傳遞函數的分母中存在網絡時延τ的指數項e^-τs，時延的存在將惡化系統的控制性能質量，甚至導致系統失去穩定性，嚴重時可使系統出現故障.

降低時延對系統穩定性影響的關鍵，就在于能否實現將變送(控制)器節點與執行器節點之間的網絡時延τ的指數項e^-τs從等式(1)的分母中去除，即實現閉環特征方程中不包含網絡時延的指數項，進而實現對網絡時延的補償作用.然而，要實現對網絡時延的補償，首先必須知道網絡時延的大小.目前，國內外通常采用的方法是通過對網絡時延τ的測量，來補償時延對系統穩定性的影響.但是，由于對網絡時延的準確測量需要滿足節點時鐘信號同步的要求：若采用硬件來實現節點時鐘信號完全同步，則需要較大的經濟投入；若采用軟件校正時鐘信號，則由于校正信號在節點間傳輸時，可能遭遇網絡時延的影響，難以實現節點時鐘完全同步；若采用對網絡時延進行估計、辨識或預測的方法來獲得網絡時延的大小，則必須知道網絡時延的準確概率分布，或準確的數學模型，但由于網絡時延的大小可能是隨機的，也可能是時變的，其值與具體的網絡協議、網絡負載大小以及網絡拓撲結構等因素有關，對網絡時延的估計或辨識都可能存在誤差.