网络控制系统反馈和前向通道的随机时延补偿(2012年)资源-CSDN文库

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第

卷第

期

重庆大学学报

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文章编号!

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网络控制系统反馈和前向通道的随机时延补偿

付

伟$杨先一$刘国权

"重庆大学自动化学院$重庆沙坪坝

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收稿日期!

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基金项目!国家自然科学基金资助项目"

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作者简介!付伟"

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#$男$重庆大学博士研究生$主要从事信息感知与控制研究$"

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摘

要!针对网络化控制系统的网络诱导时延$提出了一种改进的补偿时延的预测控制方法'

对于反馈通道$根据测量的反馈时延设置预测步长$采用柔性控制增量算法设计预测控制器对时延

进行补偿'对于前向通道$前向时延相对控制器来说是未知的$为此在系统输出端和前向通道间添

加一个反馈补偿环节

$设计一个控制补偿器估算出历史时刻实际作用于被控对象的控制量与控制

器在此时刻输出的控制量之间的误差$用该误差来补偿前向时延的影响'当被控对象参数缓慢变

化或未知时

$给出了渐消记忆递推最小二乘辨识算法的网络化反馈修正算法'最后对闭环系统的

稳定性做了分析并通过仿真验证了该策略的有效性$保证了网络化控制系统的良好性能'

关键词!网络化控制系统%随机时延%广义预测控制

中图分类号!

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文献标志码!

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用网络代替传统点对点连接方式所构成的闭环

网络化控制系统"

)1E

#与传统控制系统相比主要优

点是可以实现资源共享&具有高的诊断能力&安装与

维护简单及增加了系统的灵活性'但网络的引入也

带来新问题$比如网络传输时延及数据包丢失等影

响控制性能$甚至系统稳定性的问题

)

$从而使得控

制系统的分析和设计更加复杂' 目前

)1E

的研究

中基本都是网络时延符合某一分布的有界序列$但

在实际网络中$时延是没有界限的$是不符合某一种

分布的随机序列

)

'文献 )

*研究了网络时延小于

一个采样周期

的情况$也有一些研究的是

时

间内的时延

)

$应用范围比较小' 文献 )

A>#$

*主要

集中于寻找传统的状态反馈控制器并使系统能稳

定$但这类问题的解不易获得'相比之下$采用适当

的时延补偿策略更容易实现系统的稳定

)

' 文献

)

*在执行器采用分时控制模式下提出一种模型预

测的控制补偿方法$根据历史控制值采用加权平均

算法获得预测值

$其预测精确度不是太理想'文献

)

*根据历史总时延$采用

模型和

TPE

算法对

随机时延进行预估'反馈时延和前向时延是彼此独

立且时变的$文中并没有给出如何获取时延测量值

的方法'文献 )

*提出了一种采用最小预测步长

和预测控制增量向量分别补偿补偿网络诱导时延和

数据包丢失对系统性能影响的方法$但文中的假设

前提是网路时延是预先可知的$而时延往往是随机

且无法预知的$因此也存在一定的局限性'

分析了网络时延产生的机理$对于从传感器到

控制器端的通道"可称为反馈通道#$应用广义预测

控制"

aN1

#方法设计预测控制器对反馈通道时延

)

进行补偿' 预测控制器根据

)

的大小适时调整

预测步长$采用柔性控制增量算法计算当前时刻控

制增量'对于从控制器到执行器端的通道 "可称为

前向通道

#$前向通道时延

)

相对控制器来说是还

没发生的$是未知的$为减小这部分时延的影响$添

加一个额外的反馈环节$设计出控制补偿器对预测

控制器的控制输出值进行修正$从而补偿了

)

的影

响'对于被控对象参数缓慢变化或未知的情况$给

出了渐消记忆递推最小二乘辨识算法的网络化反馈

修正算法'最后通过仿真验证了方法的有效性以及

相对于传统控制算法的优越性$说明提出的控制策

略可以对网络时延实现补偿$使系统具有良好的控

制品质'相对文献)

*来说$控制方法具有更小的

预测步长'

网络时延分析

从时延的性质来看$可将时延分为

类!执行过

程时延和传输时延'执行过程时延产生于传感器&

控制器&执行器的运行过程$传输时延包括反馈时延

)

和前向时延

)

'为讨论方便$执行过程时延可根

据节点性质归入

)

或

)

中$图

表示了网络化控制

系统的基本结构'值得注意的是$控制算法在控制

器中执行时$

)

可通过测量得到$是已知的$而

)

是

还未发生的是不可测的$只能估算$是影响系统的主

要不确定因素

图

网络控制系统结构示意图

时延是随机变量$所以

)1E

是一随机系统$控

制起来比较困难'针对研究作如下假设!

假设

反馈时延

)

和前向时延

)

均有界$即

)

J/Y

' 且网络传输过程中连续丢包数不大

于

J/Y

将数据丢包问题归化为时延问题$对于反馈通

道或前向通道

$若新数据到达前数据丢包数为

$则

相应通道的时延将更新为

)

"或

)

"或

)

$其中

为时间驱动周期$见假设

假设

传感器和执行器采用时间驱动$设时

间周期为

'控制器采用事件

时间驱动$在正常

情况下控制器采用事件驱动方式$控制器接收到传

感数据立刻执行控制算法' 当

)

大于

J/Y

时$控制器采用时钟驱动方式自动运行控制算法并

输出控制量'

J/Y

和

J/Y

的选择首先要满足信号不

失真和网络承载能力的双重限制'

J/Y

和

J/Y

取得

越大$网络中传输的信息量越少$拥塞发生机率越

小$但信号失真度也越大'

在控制器节点和执行器节点设置缓冲区$数据

包到达缓冲区后根据数据包包头"类似于时间戳#自

动更新排序$这样便很好地解决了时序错乱的问题'

ZGF

的控制器结构设计

)1E

预测控制系统由图

表示' 系统控制器

由预测控制器和控制补偿器构成$分别补偿时延

)

和

)

的影响'

)

可以通过文献 )

*提出的在线估

计技术获取$无需时钟的同步'在

时刻$预测控制

器获得传感器送来的被控对象输出信号

;

#$但由

于

)

的存在$

;

#并不能反映当前时刻的被控对象

输出

' 因此预测控制器需根据

;

#和

)

$预测出

时刻的被控对象输出

;

#$"

)

#$并由此计算出当前控制量' 同时$控制补

偿器根据信号

;

#$估算出在

时刻实际作用

于被控对象的控制量与控制器在

时刻输出的

#!#

第

期

!!!!!!!!!!

付

伟$等!网络控制系统反馈和前向通道的随机时延补偿

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网络控制系统反馈和前向通道的随机时延补偿 (2012年)

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