一種能夠補償時延與丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及工程控制領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠補償時延與丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是指通過通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換的閉環(huán)控制系統(tǒng)。一方面，與傳 統(tǒng)的點對點連接的控制系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)具有如下眾多優(yōu)勢:布線和耗能少、安裝 和維護成本低、便于遠程監(jiān)視與控制、易于擴展和移動等。因此，近年來，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)已 在工業(yè)、交通、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003] 而另一方面，在實際應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)傳輸時延、數(shù)據(jù)包排隊、比特傳輸 錯誤、路由信息錯誤、物理線路故障等原因，測量信號和控制信號在網(wǎng)絡(luò)化控制回路中傳輸 時不可避免地出現(xiàn)隨機時延、數(shù)據(jù)包亂序與丟失現(xiàn)象，這將造成網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的性能下 降甚至發(fā)散。
[0004] 為解決上述網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中存在的隨機時延、數(shù)據(jù)包亂序與丟失，現(xiàn)有技術(shù)中 已設(shè)計出多種解決方案，但這些方法在實施時仍存在如下問題:建模方式復(fù)雜以及計算與 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大。在實際中，幾乎所有的被控對象都是非線性系統(tǒng)，甚至是時變非線性系 統(tǒng)。而且，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多工業(yè)過程發(fā)生了翻天覆地的變化，生產(chǎn)工藝和生 產(chǎn)設(shè)備變得越來越復(fù)雜。雖然針對上述復(fù)雜過程建立數(shù)學(xué)模型的方法已經(jīng)得到了一定程度 的解決，但由此而帶來的計算量大、數(shù)據(jù)量大的問題則變得越來越突出。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)主 要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸各種控制信號和反饋數(shù)據(jù)，當模型數(shù)據(jù)量增加時，傳輸這些模型數(shù)據(jù)必然 加重網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢摀?，甚至造成網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)不能正常運行。
[0005] 綜上，亟需對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進行改進以減弱或消除其對模型的依賴性和減 少網(wǎng)絡(luò)通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題之一是需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)進行改進以減弱 或消除其對模型的依賴性和減少網(wǎng)絡(luò)通道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問題，本申請的實施例首先提供了一種能夠補償時延與丟包的 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，包括:傳感模塊，位于反饋通道被控端，實時采集被控對象的輸出數(shù)據(jù)，并 將當前采樣時刻作為與所述輸出數(shù)據(jù)對應(yīng)的時間戳;控制模塊，位于前向通道控制端，根據(jù) 參考輸入信號及接收到的所述輸出數(shù)據(jù)獲取控制增量;執(zhí)行模塊，位于前向通道被控端，根 據(jù)所述時間戳確定反饋通道和前向通道的時延與丟包的情況，并基于所述時延與丟包的情 況及所述控制增量構(gòu)造控制信號施加于被控對象。
[0008] 優(yōu)選地，執(zhí)行模塊包括:時間戳比較單元，其通過比較確定距當前時刻最近的時間 戳，并存儲對應(yīng)于所述時間戳的控制增量;時延計算單元，其根據(jù)所述時間戳計算當前時刻 的環(huán)路時延;信號輸出單元，其基于存儲的控制增量與所述環(huán)路時延輸出控制信號。
[0009] 優(yōu)選地，時延計算單元根據(jù)如下表達式計算環(huán)路時延ik:
[0010] Tk=k-^
[0011] 其中，k表示當前時刻，< 為確定的距當前時刻最近的時間戳，
[0012]優(yōu)選地，信號輸出單元根據(jù)如下表達式輸出控制信號：
[0013]
[0014] 其中，u(k)和-1)分別為當前時刻k和< -1時刻的控制信號，Δ?0->為與距當 前時刻最近的時間戳對應(yīng)的控制增量，％為時延補償因子，i為用于迭代的變量。
[0015] 優(yōu)選地，輸出單元根據(jù)控制增益調(diào)整所述時延補償因子：當控制增益小于設(shè)定的 第一增益閾值時，增大所述時延補償因子的數(shù)值;當控制增益大于設(shè)定的第二增益閾值時， 減小所述時延補償因子的數(shù)值；當控制增益位于所述第一增益閾值與第二增益閾值之間 時，保持所述時延補償因子為常數(shù)。
[0016] 本申請的實施例還提供了一種能夠補償時延與丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制方法，包括:實 時采集被控對象的輸出數(shù)據(jù)，并將當前采樣時刻作為與所述輸出數(shù)據(jù)對應(yīng)的時間戳;根據(jù) 參考輸入信號及接收到的所述輸出數(shù)據(jù)獲取控制增量;根據(jù)所述時間戳確定反饋通道和前 向通道的時延與丟包的情況，并基于所述時延與丟包的情況及所述控制增量構(gòu)造控制信號 施加于被控對象。
[0017] 優(yōu)選地，在根據(jù)所述時間戳確定反饋通道和前向通道的時延與丟包的情況，并基 于所述時延與丟包的情況及所述控制增量構(gòu)造控制信號施加于被控對象的步驟中包括:通 過比較確定距當前時刻最近的時間戳，并存儲對應(yīng)于所述時間戳的控制增量;根據(jù)所述時 間戳計算當前時刻的環(huán)路時延;基于存儲的控制增量與所述環(huán)路時延輸出控制信號。
[0018] 優(yōu)選地，根據(jù)如下表達式計算環(huán)路時延ik:
[0019] Tk： = k.-k^
[0020] 其中，k表示當前時刻，<為確定距當前時刻最近的時間戳，Γ ￡人。
[0021] 優(yōu)選地，根據(jù)如下表達式輸出控制信號：
[0022]
[0023] 其中，u(k)和分別為當前時刻1^和<-1時刻的控制信號，Δ?)為與距當 前時刻最近的時間戳對應(yīng)的控制增量，％為時延補償因子，i為用于迭代的變量。
[0024] 優(yōu)選地，根據(jù)控制增益調(diào)整所述時延補償因子：當控制增益小于設(shè)定的第一增益 閾值時，增大所述時延補償因子的數(shù)值;當控制增益大于設(shè)定的第二增益閾值時，減小所述 時延補償因子的數(shù)值；當控制增益位于所述第一增益閾值與第二增益閾值之間時，保持所 述時延補償因子為常數(shù)。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述方案中的一個或多個實施例可以具有如下優(yōu)點或有益效 果：
[0026] 通過采用時間戳比較策略，在不需要知道被控對象的數(shù)學(xué)模型、階數(shù)、時滯以及其 他先驗知識的情況下對反饋通道和前向通道中的隨機時延、數(shù)據(jù)包亂序與丟失進行補償， 且可以大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬和能量消耗，便于在實際工程中應(yīng)用和推廣。
[0027]本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書，權(quán)利要 求書，以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。
【附圖說明】
[0028]附圖用來提供對本申請的技術(shù)方案或現(xiàn)有技術(shù)的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的 一部分。其中，表達本申請實施例的附圖與本申請的實施例一起用于解釋本申請的技術(shù)方 案，但并不構(gòu)成對本申請技術(shù)方案的限制。
[0029] 圖1為本發(fā)明實施例的能夠補償時延與丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明實施例的能夠補償時延與丟包的網(wǎng)絡(luò)化控制方法的流程示意圖；
[0031 ]圖3為反饋通道中發(fā)生隨機時延的示意圖；
[0032] 圖4為前向通道中發(fā)生隨機時延的示意圖；
[0033] 圖5為反饋通道中發(fā)生隨機丟包的示意圖；
[0034] 圖6為前向通道中發(fā)生隨機丟包的示意圖；
[0035] 圖7為網(wǎng)絡(luò)環(huán)路中發(fā)生隨機時延的示意圖；
[0036] 圖8為未發(fā)生時延和丟包的本地控制效果的不意圖；
[0037] 圖9為有時延和丟包但未做補償?shù)木W(wǎng)絡(luò)化控制效果的示意圖；
[0038] 圖10為有時延和丟包且采用本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡(luò)化控制方法進行補償?shù)目刂菩?果的示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 以下將結(jié)合附圖及實施例來詳細說明本發(fā)明的實施方式，借此對本發(fā)明如何應(yīng)用 技術(shù)手段來解決技術(shù)