劉　偉，彭　雷，張朕滔，周亞勛，龔俊名

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶　400054；2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，重慶　401121)

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基于IEEE1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時(shí)算法改進(jìn)

劉偉1，彭雷1，張朕滔2，周亞勛1，龔俊名1

(1.重慶理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，重慶400054；2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測研究院，重慶401121)

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)對時(shí)鐘同步精度的要求越來越高，已經(jīng)提出了微秒級的要求。為滿足此要求，對IEEE1588精確網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘同步協(xié)議進(jìn)行了研究，對該協(xié)議實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)鐘同步的原理進(jìn)行了闡述，并針對時(shí)鐘同步過程中網(wǎng)絡(luò)延遲不對等的問題，使用移動平均算法對IEEE1588的同步過程進(jìn)行了改進(jìn)，并予以驗(yàn)證。

IEEE1588；電力監(jiān)控系統(tǒng)；移動平均算法；網(wǎng)絡(luò)延遲量

隨著電力系統(tǒng)的日益擴(kuò)大，分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。電力監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)鐘保持同步，才能對電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)度和控制，這對電力系統(tǒng)的運(yùn)行有著重要意義?，F(xiàn)今大多數(shù)電力監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)鐘同步系統(tǒng)，是基于GPS和NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)協(xié)議搭建，能使系統(tǒng)達(dá)到毫秒級的對時(shí)精度。隨著系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，并且電子式電流、電壓互感器等，要求時(shí)間精度達(dá)到微秒級的設(shè)備的增加，使NTP網(wǎng)絡(luò)對時(shí)協(xié)議滿足不了當(dāng)前的需求[1]。IEEE1588為網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精確時(shí)鐘同步協(xié)議(precise time protocol，PTP)。它可以通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的同步，其同步精度可以達(dá)到亞微秒級，解決分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)鐘同步精確度問題，滿足了電力監(jiān)控系統(tǒng)對同步對時(shí)的要求。

本文首先對IEEE1588的時(shí)鐘同步原理進(jìn)行介紹，然后針對協(xié)議算法中主從時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延遲量不對等的問題進(jìn)行研究，基于移動平均算法對網(wǎng)絡(luò)延遲量的測量方法提出了改進(jìn)，并在最后給出了驗(yàn)證。

1　IEEE1588的時(shí)鐘同步原理

IEEE1588(precise time protocol，PTP)系統(tǒng)是多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò),其中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表了一個(gè)時(shí)鐘。系統(tǒng)自動根據(jù)最佳主時(shí)鐘算法(best master clock，BMC)選擇出子網(wǎng)內(nèi)的唯一的一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為主時(shí)鐘。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，主時(shí)鐘就是系統(tǒng)的基準(zhǔn)時(shí)間，每隔一定的時(shí)間，就在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布自己的本地時(shí)鐘信息[2]。各個(gè)從時(shí)鐘在網(wǎng)絡(luò)上獲得此時(shí)鐘信息，完成本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘的同步過程。

1.1IEEE1588的時(shí)鐘類型

IEEE1588時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)規(guī)定了3種時(shí)鐘類型。除了普通時(shí)鐘(OC)和邊界時(shí)鐘(BC)，在IEEE1588v2版本中又提出了透明時(shí)鐘(TC)。透明時(shí)鐘又分為點(diǎn)對點(diǎn)透明時(shí)鐘(P2P TC)和端到端透明時(shí)鐘(E2E TC)。

1.2IEEE1588的同步過程

從時(shí)鐘與主時(shí)鐘在PTP系統(tǒng)中的同步過程主要使用以下4類報(bào)文：Sync(同步報(bào)文)、Follow_Up(同步跟隨報(bào)文)、Delay_Req(延遲請求報(bào)文)、Delay_Resp(延遲應(yīng)答報(bào)文)[3]。其同步過程是分為兩個(gè)階段來完成：時(shí)鐘偏移量的計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)延遲量的計(jì)算。

IEEE1588同步時(shí)鐘過程，是通過主-從時(shí)鐘互發(fā)同步報(bào)文，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)精確對時(shí)的。同步過程如圖1所示[4]。

圖1　IEEE1588主從時(shí)鐘同步過程

具體同步過程如下：

1) 主時(shí)鐘向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布同步報(bào)文Sync，同時(shí)在報(bào)文發(fā)出的同時(shí)，記錄本地時(shí)間的時(shí)間戳t1，這個(gè)時(shí)間就是發(fā)出Sync的時(shí)間。

2) 從時(shí)鐘在網(wǎng)絡(luò)中獲取同步報(bào)文Sync，同時(shí)在獲取報(bào)文的同時(shí)，記錄本地時(shí)間的時(shí)間戳t2，為獲取Sync的時(shí)間。

3) 主時(shí)鐘把上次記錄的Sync報(bào)文發(fā)送時(shí)間的時(shí)間戳t1寫入同步跟隨報(bào)文Follow_Up，發(fā)送給從時(shí)鐘。

4) 從時(shí)鐘發(fā)送延遲請求報(bào)文Delay_Req給主時(shí)鐘，同時(shí)在報(bào)文發(fā)出的同時(shí)記錄本地時(shí)間的時(shí)間戳t3，為從時(shí)鐘發(fā)送Delay_Req報(bào)文的時(shí)間。

5) 主時(shí)鐘接收Delay_Req報(bào)文，在獲取報(bào)文的同時(shí)，記錄本地時(shí)間的時(shí)間戳t4，為主時(shí)鐘獲取Delay_Req報(bào)文的時(shí)間。

6) 主時(shí)鐘把記錄的Delay_Req報(bào)文獲取時(shí)間的時(shí)間戳t4寫入延遲應(yīng)答報(bào)文Delay_Resp，發(fā)送給從時(shí)鐘。

以上過程為1個(gè)對時(shí)周期，從時(shí)鐘根據(jù)1個(gè)周期中產(chǎn)生的4個(gè)時(shí)間戳t1～t4來計(jì)算本地時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移量[5]?，F(xiàn)假設(shè)從主時(shí)鐘發(fā)送報(bào)文到從時(shí)鐘的網(wǎng)絡(luò)延遲量為Delay1，從時(shí)鐘到主時(shí)鐘為Delay2，從時(shí)鐘與主時(shí)鐘的時(shí)鐘偏移量為Offset，那么根據(jù)得到的四個(gè)時(shí)間戳，可知：

t2-t1=Delay1+Offset

(1)

t4-t3=Delay2-Offset

(2)

然而在對時(shí)過程中，Delay1與Delay2幾乎相同，設(shè)為Delay，于是

(3)

(4)

至此，從時(shí)鐘根據(jù)得到的時(shí)鐘偏移量Offset和網(wǎng)絡(luò)延遲量Delay，可以完成對時(shí)。

2　網(wǎng)絡(luò)延遲對稱性的影響

在之前分析時(shí)鐘同步的過程中，時(shí)鐘偏移量和網(wǎng)絡(luò)延遲量的計(jì)算都是建立在兩個(gè)時(shí)鐘節(jié)點(diǎn)之間PTP報(bào)文往返的網(wǎng)絡(luò)延遲相等的基礎(chǔ)上的。在實(shí)際的對時(shí)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，雖然大部分的情況下網(wǎng)絡(luò)延遲量都是近乎對稱的，但是由于系統(tǒng)信息量的繁雜，大量實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)隨機(jī)性收發(fā)，也總會出現(xiàn)對稱程度很差的情況[6]。如果網(wǎng)絡(luò)不對稱，那么在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延時(shí)量時(shí)就會產(chǎn)生誤差，影響對時(shí)的精度[7]。

以最典型的主從時(shí)鐘對時(shí)過程為例說明。在計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲量和時(shí)鐘偏移量的時(shí)候，最先得出的是式(1)和式(2)。在后續(xù)的計(jì)算過程中，假定Delay1與Delay2幾乎相同，設(shè)為Delay。但是在實(shí)際的對時(shí)系統(tǒng)中，Delay1與Delay2很可能由于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性堵塞存在一定的偏差。如圖2所示，同步報(bào)文Sync在發(fā)送到從時(shí)鐘設(shè)備的過程中遇到了網(wǎng)絡(luò)堵塞，而延遲請求報(bào)文Delay_Req在發(fā)送到主時(shí)鐘的過程中，網(wǎng)絡(luò)堵塞情況已經(jīng)好轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在設(shè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)偏移量為Delay*，令

2Delay*=Delay1+Delay2+Δt

(5)

再根據(jù)式(1)、(2)和(4)，可以推導(dǎo)得到以下公式

Delay1+Delay2=Td1+Td2

(6)

(7)

(8)

由此可見，在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱的情況下，再按照一般的算法計(jì)算網(wǎng)絡(luò)延遲量，計(jì)算得到的網(wǎng)絡(luò)延遲量和跟同步網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中存在的真實(shí)值是存在Δt/2偏差的。如果隨機(jī)突然出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)極端阻塞的情況下，Δt的值會變得很大，對主從時(shí)鐘設(shè)備精確對時(shí)會產(chǎn)生很大的影響，最終會導(dǎo)致同步不精確。

圖2　網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱對時(shí)鐘同步的影響

3　IEEE1588時(shí)鐘同步改進(jìn)算法

本文采用移動平均算法的方式，對測量得到的網(wǎng)絡(luò)延遲量經(jīng)行數(shù)據(jù)平滑處理。通過這種方法對偏差較大的數(shù)據(jù)經(jīng)行處理，可以有效減小網(wǎng)絡(luò)延遲量不對稱對對時(shí)精度造成的影響。

3.1移動平均算法原理

一般情況，對于測試到的動態(tài)數(shù)據(jù)y(t)，都是由確定性元素f(t)和隨機(jī)性元素x(t)兩部分組成[8]。確定性元素為測量的目的結(jié)果或者有效信號，隨機(jī)性元素為測試過程中隨機(jī)的誤差或者噪聲，即x(t)=e(t)。對動態(tài)數(shù)據(jù)離散化采樣后,數(shù)據(jù)可以寫成

(9)

為了使測量結(jié)果更精確的表示，減小隨機(jī)性誤差ej的影響，經(jīng)常會對動態(tài)測試數(shù)據(jù)yj執(zhí)行平滑和濾波的操作。具體就是對非平穩(wěn)數(shù)據(jù)yj選擇適當(dāng)?shù)男^(qū)間[9]，把這一段數(shù)據(jù)視為接近平穩(wěn)的，對其進(jìn)行某種局部平均操作，從而減小ej引起的隨機(jī)波動。沿著全長為N的非平穩(wěn)數(shù)據(jù)，每個(gè)小區(qū)間上不斷進(jìn)行這種局部平均，就可以得到較為平滑的測量結(jié)果fj，從而減小頻繁起伏的隨機(jī)性誤差所帶來的影響[10]。

例如，測量得到N個(gè)非平穩(wěn)數(shù)據(jù)yj，把其中每m個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)的小區(qū)間之內(nèi)的數(shù)據(jù)看成是接近平穩(wěn)的，即每個(gè)小區(qū)間數(shù)據(jù)的均值接近于常量。于是，可以計(jì)算出每m個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)的平均值，以此來表示這m個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)中任一個(gè)的取值，并且可以把這個(gè)平均值作為減小了隨機(jī)誤差之后的測量目的結(jié)果或者抑制了噪聲之后的信號。根據(jù)不同的適用場合，該均值可以用來表示該區(qū)間內(nèi)的中點(diǎn)數(shù)據(jù)或者端點(diǎn)數(shù)據(jù)。假設(shè)取m等于5，并且用平均值代替這5個(gè)點(diǎn)中最后的數(shù)據(jù)，可以得到

(10)

然后可以認(rèn)為f5=y5。同理，可以得到

(11)

同樣可以認(rèn)為f6=y6。依此類推,就可以得到后端點(diǎn)移動平均算法的一般表達(dá)式：

(12)

經(jīng)過移動平均處理之后得到的fk=yk，與原來的數(shù)據(jù)yk相比，數(shù)據(jù)的隨機(jī)波動由于平均作用減小了，故移動平均算法是一種平滑數(shù)據(jù)的方法。

3.2移動平均算法的特點(diǎn)

移動平均算法最主要的特點(diǎn)是具有簡捷性和實(shí)時(shí)性。相比別的動態(tài)測試數(shù)據(jù)算法，移動平均算法簡便，計(jì)算量較小[11]，其通過遞推形式來處理離散數(shù)據(jù)的機(jī)制也可以起到節(jié)省存貯單元的作用。除此之外，還能在對非平穩(wěn)數(shù)據(jù)平滑處理抑制誤差的同時(shí)保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。另外，移動平均算法還具有可控制性。移動平均算法處理數(shù)據(jù)的效果跟移動參數(shù)的選則有很大關(guān)系，因此通?？梢跃唧w問題具體分析，針對動態(tài)測試目標(biāo)本身變化的特點(diǎn)和動態(tài)測試數(shù)據(jù)的實(shí)際變化情況，依靠經(jīng)驗(yàn)來選擇合適的移動平均參數(shù)[12]。

對于本文研究的網(wǎng)絡(luò)對時(shí)協(xié)議中主從時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱問題，移動平均算法可以完全適用。由于對時(shí)精確度的要求，所以計(jì)算過程的簡便，使移動平均算法很適合應(yīng)用于此。在對時(shí)過程中，對于突然出現(xiàn)波動較大的網(wǎng)絡(luò)延遲量，直接做出丟棄處理顯然是不合適的。因?yàn)槿绻藭r(shí)網(wǎng)絡(luò)只是在網(wǎng)絡(luò)延遲對稱情況下出現(xiàn)的正常堵塞，那么直接丟棄大波動的測量數(shù)據(jù)就會使時(shí)鐘偏移量測量結(jié)果誤差增大，影響對時(shí)精度。但是，對于突然出現(xiàn)較大的網(wǎng)絡(luò)延遲量，如果直接依據(jù)此數(shù)據(jù)來進(jìn)行時(shí)鐘偏移量的計(jì)算，那么當(dāng)此量是網(wǎng)絡(luò)延遲不對稱情況下的大誤差數(shù)據(jù)時(shí)，會使時(shí)鐘偏移量測量結(jié)果誤差增大，影響對時(shí)精度[13]。因此，最好的方法是用算法平滑突然出現(xiàn)波動較大的網(wǎng)絡(luò)延遲量，使其幅值降低，但又盡可能快速地向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行靠攏。因此，移動平均法雖然會比一些高級算法簡單，但是卻適合于對時(shí)網(wǎng)絡(luò)主從時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)延遲量的處理。

3.3移動平均算法的一般方法

移動平均算法一般分為兩種：簡單移動平均算法和加權(quán)移動平均算法。

按式(3)～(14)的方法來計(jì)算移動平均，是沿總數(shù)為N的非平穩(wěn)數(shù)據(jù)不斷依次移動的取m個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)直接做算術(shù)平均計(jì)算。這就是簡單移動平均算法，在計(jì)算過程中相鄰的數(shù)據(jù)yk-m+1，yk-m+2，…，yk在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對于計(jì)算結(jié)果fk=yk來說是等效的，是一種等權(quán)處理。而實(shí)際上，與yk距離較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)相對于距離較近的數(shù)據(jù)對fk的作用可能小,應(yīng)該是不等權(quán)的，因而對實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)，選擇的m個(gè)相鄰數(shù)據(jù)應(yīng)該在設(shè)置成不同的權(quán)值之后再進(jìn)行移動平均平滑數(shù)據(jù)，這就是加權(quán)移動平均算法[14]。

后端點(diǎn)加權(quán)移動平均算法一般公式為

(13)

其中ωi為權(quán)系數(shù)，滿足

(14)

在計(jì)算過程中，當(dāng)式中m的取值偏大，則選取的連續(xù)數(shù)據(jù)就會偏多，經(jīng)過平均處理之后產(chǎn)生的平滑作用較大，這種情況下對頻繁隨機(jī)波動的誤差能更好地減小，但是會一起平均掉高頻變化的有效信號，引起結(jié)果的不準(zhǔn)確[15]；而當(dāng)式中m的取值偏小，則平滑作用較小，對頻繁隨機(jī)波動的誤差抑制程度偏小，達(dá)不到處理誤差的預(yù)計(jì)效果。因此，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，需要先分析處理數(shù)據(jù)的目的和數(shù)據(jù)實(shí)際波動情況，或經(jīng)過對比試驗(yàn)，再選取合適的移動平均參數(shù)m以及權(quán)系數(shù)ωi。一般在用移動平均算法處理動態(tài)測試數(shù)據(jù)的時(shí)候，應(yīng)用相對較多的是5～11點(diǎn)等權(quán)移動平均算法和2，3點(diǎn)加權(quán)移動平均算法[16]。

4　改進(jìn)算法驗(yàn)證

為了測試移動平均算法對IEEE1588協(xié)議的改進(jìn)，本文采用自行設(shè)計(jì)的硬件平臺進(jìn)行了驗(yàn)證。平臺采用由意法半導(dǎo)體公司(STMicroelectronics,ST)生產(chǎn)的微控制器STM32F107VCT6實(shí)現(xiàn)協(xié)議，同時(shí)使用TI公司生產(chǎn)的物理層接口芯片DP83640記錄同步報(bào)文的硬件時(shí)間戳，如圖3所示。

圖3　測試硬件平臺結(jié)構(gòu)

在測試過程中，兩個(gè)硬件平臺分別作為主時(shí)鐘和從時(shí)鐘，通過以太網(wǎng)交換機(jī)相連，從時(shí)鐘通過串口與PC相連，用Matlab軟件完成主從時(shí)鐘偏移量的繪制。在選取移動平均算法的參數(shù)時(shí)，由于本文搭建的測試平臺規(guī)模較小，僅將主從時(shí)鐘電路板通過一臺交換機(jī)相連，因此進(jìn)行主從時(shí)鐘同步過程中產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)抖動不大，如果選擇的參數(shù)m過大，那么較大的平均作用就會影響正常的高頻數(shù)據(jù)。所以，在本實(shí)驗(yàn)中，選擇較小的移動平均參數(shù)m，這樣不會影響網(wǎng)絡(luò)延遲量變化的實(shí)時(shí)性。另外，在對于算法的選擇方面，由于時(shí)鐘同步作為實(shí)時(shí)性要求較高的過程，選擇了加權(quán)移動平均法。圖4為引入2點(diǎn)加權(quán)移動平均算法之后的測試結(jié)果。

圖4　改進(jìn)算法前后主從時(shí)鐘偏移量對比

在圖4中：上方圖像中的時(shí)鐘偏移量是在網(wǎng)絡(luò)延遲量計(jì)算過程中沒有加入移動平均算法情況下測量得出的，而下方圖像中的時(shí)鐘偏移量波動情況明顯要改善很多，在40～45 ns小幅度波動，就是因?yàn)槭褂昧艘苿悠骄惴▽W(wǎng)絡(luò)延遲量進(jìn)行處理。

上述測試結(jié)果可以證明：以上改進(jìn)可以提高IEEE1588協(xié)議的對時(shí)精度和穩(wěn)定性，并且對時(shí)精度滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)亞微秒級的要求。

5　結(jié)束語

電力監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，采用IEEE1588協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)精確時(shí)鐘同步技術(shù)，可以在不增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)亞微秒級的同步精度，可以有效地解決分布式電力監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題，具有很強(qiáng)的研究與應(yīng)用價(jià)值。本文IEEE1588協(xié)議的對時(shí)機(jī)制進(jìn)行了研究，并且改進(jìn)了對時(shí)算法。最后通過實(shí)驗(yàn)證明了移動平均算法可以改進(jìn)IEEE1588協(xié)議的對時(shí)精確度和穩(wěn)定性，并且完全滿足電力監(jiān)控系統(tǒng)的要求。

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(責(zé)任編輯楊文青)

Synchronization Algorithm Modification of Power Supervisory System Based on IEEE1588 Protocol

LIU Wei1, PENG Lei1, ZHANG Zhen-tao2，ZHOU Ya-xun1, GONG Jun-ming1

(1.School of Electrical and Electronic Engineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400054, China; 2.Chongqing Institute of Measurement and Quality Inspection, Chongqing 401121, China)

With the development of the power system, the distributed power monitoring and control system of clock synchronization precision demand is higher and higher, and have put forward the requirements of microsecond. To satisfy this requirement, IEEE 1588 precise network clock synchronization protocols were studied in this article, and exposited the principle of high precision clock synchronization. In view of the clock synchronization network latency is dis-symmetry in the process of problems, that using moving average algorithm was proposed to improve the synchronization process of IEEE1588, and finally it was verified.

IEEE1588; power supervisory system; moving average algorithm; network delay

2016-05-17

重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2013217)

劉偉(1963—)，男，副教授，主要從事電力系統(tǒng)自動化技術(shù)研究，E-mail:liuwei@cqut.edu.cn；彭雷(1992—)，男，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事電氣測試技術(shù)研究，E-mail:475569812@qq.com。

format：LIU Wei, PENG Lei, ZHANG Zhen-tao,et al.Synchronization Algorithm Modification of Power Supervisory System Based on IEEE1588 Protocol[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):135-140.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.021

TN915

A

1674-8425(2016)10-0135-06

引用格式：劉偉，彭雷，張朕滔，等.基于IEEE1588協(xié)議電力監(jiān)控系統(tǒng)的對時(shí)算法改進(jìn)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(10):135-140.