分层结构中变送控制器与执行器间网络时延补偿方法.pdf

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1、10申请公布号CN101995874A43申请公布日20110330CN101995874ACN101995874A21申请号201010557725222申请日20101118G05B19/418200601H04L7/0020060171申请人海南大学地址570228海南省海口市人民大道58号海南大学72发明人杜锋陈褒丹杜育宽杜文才54发明名称分层结构中变送控制器与执行器间网络时延补偿方法57摘要本发明提出一种分层结构的网络控制系统中，变送控制器节点与执行器节点之间的网络时延补偿方法，属于网络通信、计算机与控制技术等交叉领域。它采用真实的变送控制器节点与执行器节点之间的网络数据传输过程代替。

2、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，提高系统的动态性能质量。本发明适用于被控对象数学模型已知或不确知，或干扰难以确定，网络仅存在于变送控制器节点与执行器节点之间的分层结构网络控制系统中，时延为定常、或时变或不确定的网络时延的动态补偿与控制。51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图1页CN101995879A1/1页21分层结构中变送控制器与执行器节点间网络时延补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤1当变送控制器节点被周期采样信号触发时，将采。

3、用方式A进行工作；2当变送控制器节点将误差信号E1S，通过前向网络通路向执行器节点传输时，将采用方式B进行工作；3当执行器节点被来自前向网络通路的信号E1S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变送控制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变送控制器节点被触发后，对被控对象GS的输出信号YS进行采样；A3将系统给定信号RS与信号YS相加减，得到误差信号E1S3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变送控制器节点将误差信号E1S，通过前向网络通路向执行器节点传输；4根据权利要求1所述的补偿方法，其。

4、特征在于所述方式C的步骤包括C1执行器节点工作于事件驱动方式，被来自前向网络通路的信号E1S触发；C2将E1S与来自现场变送控制器节点的输出信号YS相减，得到误差信号E2S；C3对E2S实施常规控制或智能控制策略CS，其输出信号为US；C4将US作为执行驱动信号，对被控对象GS实施控制5根据权利要求1所述的方法，其特征在于系统包含变送控制器、执行器和被控对象等单元，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控制器节点到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。

5、，其特征在于无需完全确知被控对象GS的数学模型，可实现对前向网络通路时延的完全补偿，提高系统的控制质量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控制器节点到执行器节点之间的网络时延的测量、估计或辨识，免除对变送控制器节点和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适用于变送控制器节点周期采样并对信号进行处理；方式B适用于变送控制器节点传输网络数据；方式C适用于执行器节点实施控制算法并对被控对象实施控制驱动。权利要求书CN10。

6、1995874ACN101995879A1/5页3分层结构中变送控制器与执行器间网络时延补偿方法技术领域0001本发明涉及分层结构网络控制系统中，网络存在于变送控制器与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背景技术0002网络控制系统NETWORKEDCONTROLSYSTEMS，NCS是指被控对象和控制器通过网络相连接，适用于本发明的网络控制系统典型结构框图如图1所示0003网络控制系统的特点是信息参考输入、系统输出、控制输入等通过网络在系统元件传感控制器、执行器间交换它具有很多的优点，如低成本、易安装维护、系统结构更灵活等，使不同地点的用户实现资源共享和协调操作，现已被。

7、广泛使用在工业过程控制、国防军事、航空航天、能源交通、环境保护等领域中0004在控制网络系统中，所有的信息都通过总线进行传输一方面，随着网络的引入，信息传输不确定性问题也出现在控制系统中，这样会增加控制系统的分析和设计的复杂性另一方面，由于网络中的信息源很多，在传输时信息要分时占用总线，而网络的通信带宽有限，这就使其传输不可避免地存在着时延时延的存在会给系统带来相位上的滞后，而相位滞后是导致系统不稳定的一个重要因素如何克服网络时延所带来的问题，从而确保整个系统的稳定性，是一个需要解决的重要问题0005针对如图2所示的网络仅存在于变送控制器与执行器节点间的网络控制系统，其输入RS与输出YS之间的。

8、闭环传递函数为00060007式中CS是控制器；GS是被控对象；表示将网络数据从变送控制器节点传输到执行器节点时所产生的网络时延0008由于等式1所示的闭环传递函数的分母中存在网络时延的指数项ES，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0009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控制器节点与执行器节点之间的网络时延的指数项ES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的测量，来补偿时延对。

9、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说明书CN101995874ACN101995879A2/5页40010因此，如何免除对变送控制。

10、器节点与执行器节点时钟信号同步的要求，免除对变送控制器节点与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，进而实现对变送控制器节点与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中需要解决的关键问题之一发明内容0011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控制器节点与执行器节点之间的分层结构网络控制系统时延补偿方法0012本发明的目的0013针对网络仅存在于变送控制器节点与执行器节点之间的分层结构网络控制系统中，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，同时也免除对网络时延的测量、估计或辨识的时延补偿方法，实现对。

11、网络时延的实时、在线和动态的补偿0014本发明采用的方法是0015第一步采用变送控制器节点到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无论从变送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0016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0017在图3中，从系统的输入RS与输出YS之间的闭环传递函数为00180019式2所示闭环传递函数的分母中，不包含。

12、网络时延的指数项ES，即实现了在其闭环特征方程1CSGS0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0020本发明的适用范围0021本发明适用于网络仅存在于变送控制器节点与执行器节点之间的分层结构网络控制系统中，被控对象数学模型已知或不确知，或干扰难以确定，其网络时延可为随机、时变或不确定，亦可为已知或确定的网络时延的补偿与控制0022本发明的特征在于该方法包括以下步骤00231、当变送控制器节点被周期采样信号触发时，将采用方式A进行工作；00242、当变送控制器节点将误差信号E1S，通过前向网络通路向执行器节点传输时，。

13、将采用方式B进行工作；00253、当执行器节点被来自前向网络通路的信号E1S触发时，将采用方式C进行工作0026方式A的步骤包括0027A1变送控制器节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期采样信号；0028A2变送控制器节点被触发后，对被控对象GS的输出信号YS进行采样；说明书CN101995874ACN101995879A3/5页50029A3将系统给定信号RS与信号YS相加减，得到误差信号E1S0030方式B的步骤包括0031B1变送控制器节点将误差信号E1S，通过前向网络通路向执行器节点传输0032方式C的步骤包括0033C1执行器节点工作于事件驱动方式，被来自前向网络通路的信号E1S。

14、触发；0034C2将E1S与来自现场变送控制器节点的输出信号YS相减，得到误差信号E2S；0035C3对E2S实施常规控制或智能控制策略CS，其输出信号为US；0036C4将US作为执行驱动信号，对被控对象GS实施控制00374、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于系统包含变送控制器、执行器和被控对象等单元，各单元依照各自设定的工作方式进行工作00385、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于用真实的从变送控制器节点到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00396、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于控制器CS用于减少消除误差。

15、信号E2S对系统动态性能的影响00407、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于无需完全确知被控对象GS的数学模型，可实现对前向网络通路时延的完全补偿，提高系统的控制质量00418、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控制器节点到执行器节点之间的网络时延的测量、估计或辨识00429、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控制器节点和执行器节点时钟信号同步的要求004310、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004411、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。

16、协议的选择无关004512、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式A适用于变送控制器节点周期采样并对信号进行处理004613、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式B适用于变送控制器节点传输网络数据004714、本发明所述的时延补偿方法，其特征在于方式C适用于执行器节点实施控制算法并对被控对象实施控制驱动0048本发明具有如下优点00491、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00502、由于从结构上实。

17、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说明书CN101995874ACN101995879A4/5页600513、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00524、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00535、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。

18、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0054图1为网络仅存在于变送控制器与执行器节点间的网络控制系统方框图0055图2为网络仅存在于变送控制器与执行器节点间的网络控制系统结构图0056图3为本发明所述的分层结构中变送控制器与执行器节点间网络时延补偿方法结构图0057在图1网络仅存在于变送控制器与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，变送控制器S/C，反馈网络通路和执行器A等单元其中0058变送控制器S/C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0059执行器A节点采用事件驱动方。

19、式进行工作，由变送控制器S/C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0060图1中的变送控制器S/C节点，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0061在图2网络仅存在于变送控制器与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，前向网络延迟ES和控制器C等单元0062图2中数据的传输经历着从变送控制器节点到执行器节点之间的网络传输时延的影响时延与具体的网。

20、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0063在图3本发明所述的分层结构中变送控制器与执行器节点间网络时延补偿方法结构图系统包含输入信号R，输出信号Y，被控对象G，前向网络延迟ES和控制器C等单元0064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的测量、估计、观测或辨识，同时也免除了对。

21、变送控制器节点、执行器节点时钟信号同步的要求，实现了将网络时延的指数项ES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说明书CN101995874ACN101995879A5/5页7具体实施方式0065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0066具体实施步骤如下所述0067第一步工作于时间驱动方式的变送控制器节点对被控对象GS的输出信号YS进行周期采样；将系统给定信号RS与YS相加减，得到误差信号E1S；将E1S通过前向网络通路向执行器节点传送；0068第二步。

22、工作于事件驱动方式的执行器节点被前向网络通路信号E1S触发，将E1S与来自现场变送控制器节点的输出信号YS相减，得到误差信号E2S；对E2S实施常规控制或智能控制策略CS，其输出信号为US；将US作为执行驱动信号，对被控对象GS实施控制；0069第三步返回第一步0070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0071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。说明书CN101995874ACN101995879A1/1页8图1图2图3说明书附图CN101995874A。