基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法及系统技术方案

本公开提出了基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法及系统，建立球杆系统的动态数学模型并将连续系统离散化得到球杆系统的离散时间状态空间模型；针对球杆系统的离散时间状态空间模型的系统测量输出建立球杆系统的事件触发机制，并基于事件触发机制构造Luenberger观测器来重构系统状态；基于重构系统状态使用网络预测控制方法补偿球杆系统中网络传输引起的时滞，设计控制器uk并将控制指令发送给球杆系统的执行器以实现控制目标。通过使用事件触发机制，可以显著地减少系统的信息传输次数，从而有效的降低了通信负担，节省了带宽资源。

Network Predictive Control Method and System of Ball and Rod System Based on Event Triggering Mechanism

This disclosure proposes a network predictive control method and system for a ball-and-rod system based on event triggering mechanism, establishes a dynamic mathematical model of the ball-and-rod system and discretizes the continuous system into a discrete-time state-space model of the ball-and-rod system, establishes an event triggering mechanism for the ball-and-rod system based on the measurement output of the discrete-time state-space model of the ball-and-rod system, and EST The Luenberger observer is constructed to reconstruct the system state. Based on the reconstructed system state, the network predictive control method is used to compensate the delay caused by network transmission in the ball-and-rod system. The controller UK is designed and the control instructions are sent to the actuator of the ball-and-rod system to achieve the control objectives. By using event triggering mechanism, the number of information transmission can be significantly reduced, thus effectively reducing the communication burden and saving bandwidth resources.

【技术实现步骤摘要】
基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法及系统
本公开涉及网络控制
，特别是涉及基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法及系统。
技术介绍
球杆系统是一个典型的开环，非线性不稳定的动态系统。作为控制领域学习中的经典教学设备，它的结构简单、安全，并且具有许多经典和现代控制对象的特性，因此成为控制领域的热点研究问题。基于各种经典线性控制理论和先进控制理论方法设计的控制器，球杆系统的动态特性可以直观反映其控制效果。除此之外，网络控制系统的特征是闭环系统的传感器、控制器、执行器各组件之间通过共享的通信网络进行信息交换。对于一个使用通信网络进行控制的球杆系统，虽然具有低成本、易于维护和更好的灵活性等优势，但同时也会引入一些不可避免的具有挑战性的问题，例如会使稳定的闭环球杆系统变得不稳定的通信时滞。因此，解决带有通信时滞的球杆系统的不稳定性是一个值得深入探究的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本公开提供了基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，可以积极补偿网络时滞并有效节约带宽资源。为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，包括：建立球杆系统的动态数学模型并将连续系统离散化得到球杆系统的离散时间状态空间模型；针对球杆系统的离散时间状态空间模型的系统测量输出建立球杆系统的事件触发机制，并基于事件触发机制构造Luenberger观测器来重构系统状态；基于重构系统状态使用网络预测控制方法补偿球杆系统中网络传输引起的时滞，设计控制器uk并将控制指令发送给球杆系统的执行器以实现控制目标。进一步的技术方案，所述球杆系统中包括底板，底板的一端设置有支撑杆，底板的另一端设置有齿轮机构，齿轮机构的大齿轮上设置有平衡臂，所述平衡臂与支撑杆之间设置有横杆，所述横杆上设置有小球，小球在横杆上运动。进一步的技术方案，所述球杆系统的动态数学模型中选择小球在横杆上的位置、小球在横杆上的位置对时间的微分为状态变量，并根据横杆的倾斜角与齿轮与平衡臂的接点与齿轮中心连线的倾斜角之间的数学关系，建立球杆系统的状态空间表达式。进一步的技术方案，所述球杆系统基于输出的事件触发机制为：其中yk是指当前的系统测量输出，是指上一时刻接收到的系统测量输出，是指当前时刻实际接收到的系统输出，σ∈(0,1)是可调节的事件触发参数，如果yk满足则传输当前系统测量输出值，否则用上一时刻接收到的系统测量输出值来重构系统状态。进一步的技术方案，构造Luenberger观测器来重构系统状态，假设球杆系统的状态不可测，则需要设计如下状态观测器来重构系统的状态：其中，是指观测器状态，是观测器的输出，L是观测器增益并且可以通过极点配置方法来获得，由上式可以看出观测器的状态更新依赖于当前实际接收到的系统测量输出A、B、C为系统矩阵；令可得：进一步的技术方案，补偿球杆系统中网络传输引起的时滞时，假定传感器至控制器通道存在网络通信引发的以d为边界的时滞，通过网络预测控制方法计算k时刻系统状态，具体为：由k-d时刻的观测器状态得到一步预测值然后由系统状态方程计算k-d+2直到k时刻的状态预测值。进一步的技术方案，构造网络预测控制器：其中，K是控制器增益矩阵，可通过极点配置方法来设计K。进一步的技术方案，定义增广向量可得基于观测器的事件触发网络预测控制系统的增广闭环系统形式：其中：进一步的技术方案，获得发送给球杆系统的执行器实现控制目标的控制指令，具体步骤为：通过极点配置方法求得增益矩阵K与L；基于上述闭环系统模型求得保证闭环系统渐近稳定的线性矩阵不等式条件，给定事件触发参数σ，利用Matlab中的线性矩阵不等式工具箱验证该不等式是否可行；改变事件触发参数0<σ<1的取值，找到使得线性矩阵不等式条件可行的最大σ值，保证闭环系统稳定的情况下同时使得数据传输次数达到最小。本实施例子还公开了基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制系统，包括：模型建立单元，建立球杆系统的动态数学模型并将连续系统离散化得到球杆系统的离散时间状态空间模型；系统状态重构单元，针对球杆系统的离散时间状态空间模型的系统测量输出建立球杆系统的事件触发机制，并基于事件触发机制构造Luenberger观测器来重构系统状态；网络预测控制单元，基于重构系统状态使用网络预测控制方法补偿球杆系统中网络传输引起的时滞，设计控制器uk并将控制指令发送给球杆系统的执行器以实现控制目标。与现有技术相比，本公开的有益效果是：本公开针对具有通信时滞的球杆系统提出基于观测器和事件触发机制的网络预测控制方法，将系统近似为线性的输入-输出关系。其设计的观测器可以实现基于当前实际接收到的系统测量输出重构系统的状态，设计的网络预测控制器可以有效补偿通信时滞，使得系统的状态渐近稳定。进一步地，通过使用事件触发机制，可以显著地减少系统的信息传输次数，从而有效的降低了通信负担，节省了带宽资源。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本申请实施例子的球杆系统的简化示意图；图2为本申请实施例子的球杆系统基于观测器和事件触发机制的网络预测控制图；图3为本申请实施例子的当不考虑时滞补偿时，球杆系统测量输出yk的响应曲线；图4为本申请实施例子的基于时间触发，使用网络预测控制方法的系统测量输出yk的响应曲线与本地控制输出yk的响应曲线；图5为本申请实施例子的当事件触发参数σ＝0.4时，系统的状态传输时刻与传送时间间隔示意图；图6为本申请实施例子的基于时间触发的网络预测控制输出yk响应曲线与基于事件触发(σ＝0.4)的网络预测控制输出yk响应曲线。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，针对具有通信时滞的网络化球杆系统，本公开的实施例子提供一种基于观测器和事件触发机制的网络预测控制方法，从而有效克服时滞带来的不利影响，保证系统的渐近稳定性，并减轻网络通信负担、节省带宽资源。网络预测控制的主要思想是通过对未来的若干时刻的状态进行预测来计算未来若干时刻的控制输入量，再将其传输到执行器端以实现控制目标。因此，通过使用网络预测控制方法，可以主动的补偿球杆系统中网络引起的通信时滞，使得球杆系统可稳。另一方面，传统的时间触发控制(固定周期传输数据)令网络控制系统中传感器，控制器，执行器以及控制对象之间面临大量的信息传递，这势必增加了网络传输负担，浪费了有限的通讯资源。因此，为了有效利用网络资源，减少数据传输次数，近年来事件触发控制方法得到了越来越多的关注。事件触发控制是指在保证系统稳定并具有良好的性能的前提下，控制任务只有在预先设定好的事件触本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，其特征是，包括：建立球杆系统的动态数学模型并将连续系统离散化得到球杆系统的离散时间状态空间模型；针对球杆系统的离散时间状态空间模型的系统测量输出建立球杆系统的事件触发机制，并基于事件触发机制构造Luenberger观测器来重构系统状态；基于重构系统状态使用网络预测控制方法补偿球杆系统中网络传输引起的时滞，设计控制器uk并将控制指令发送给球杆系统的执行器以实现控制目标。

【技术特征摘要】
1.基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，其特征是，包括：建立球杆系统的动态数学模型并将连续系统离散化得到球杆系统的离散时间状态空间模型；针对球杆系统的离散时间状态空间模型的系统测量输出建立球杆系统的事件触发机制，并基于事件触发机制构造Luenberger观测器来重构系统状态；基于重构系统状态使用网络预测控制方法补偿球杆系统中网络传输引起的时滞，设计控制器uk并将控制指令发送给球杆系统的执行器以实现控制目标。2.如权利要求1所述的基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，其特征是，所述球杆系统中包括底板，底板的一端设置有支撑杆，底板的另一端设置有齿轮机构，齿轮机构的大齿轮上设置有平衡臂，所述平衡臂与支撑杆之间设置有横杆，所述横杆上设置有小球，小球在横杆上运动。3.如权利要求1或2所述的基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，其特征是，所述球杆系统的动态数学模型中选择小球在横杆上的位置、小球在横杆上的位置对时间的微分为状态变量，并根据横杆的倾斜角与齿轮与平衡臂的接点与齿轮中心连线的倾斜角之间的数学关系，建立球杆系统的状态空间表达式。4.如权利要求1所述的基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，其特征是，所述球杆系统基于输出的事件触发机制为：其中yk是指当前的系统测量输出，是指上一时刻接收到的系统测量输出，是指当前时刻实际接收到的系统输出，σ∈(0,1)是可调节的事件触发参数，如果yk满足则传输当前系统测量输出值，否则用上一时刻接收到的系统测量输出值来重构系统状态。5.如权利要求1所述的基于事件触发机制的球杆系统的网络预测控制方法，其特征是，构造Luenberger观测器来重构系统状态，假设球杆系统的状态不可测，则需要设计如下状态观测器来重构系统的状态：其中，是指观测器状态，是观测器的输出，L是观测器增益并且可以通过极点配置方法来获得，由上式可以看出观测器的状态更新依赖于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨荣妮，余雅茹，李玲玲，丁淑芬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37