网络化控制系统变采样预测控制器技术方案

本发明专利技术提供一种不依赖执行器输出量的变采样网络化控制系统预测控制器，在抑制延时对系统的影响同时降低数据传输量。包括变采样事件触发模块和网络化预测控制模块，网络化预测控制模块包括网络延时计算模块和预测补偿模块；其中：变采样事件触发模块用于调整网络数据的传输流量，并对传感器采样信息进行发送条件比较，根据事件发送触发条件对数据是否发送进行判断，利用该事件触发条件减少不必要数据的发送；网络延时计算模块用于计算当前网络数据包的传输延时大小，变采样事件触发模块在发送数据包时，对发送的数据包添加数据发送时刻的时间戳信息；预测补偿模块用于对网络传输延时进行预测补偿。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种不依赖执行器输出量的变采样网络化控制系统预测控制器，在抑制延时对系统的影响同时降低数据传输量。包括变采样事件触发模块和网络化预测控制模块，网络化预测控制模块包括网络延时计算模块和预测补偿模块；其中：变采样事件触发模块用于调整网络数据的传输流量，并对传感器采样信息进行发送条件比较，根据事件发送触发条件对数据是否发送进行判断，利用该事件触发条件减少不必要数据的发送；网络延时计算模块用于计算当前网络数据包的传输延时大小，变采样事件触发模块在发送数据包时，对发送的数据包添加数据发送时刻的时间戳信息；预测补偿模块用于对网络传输延时进行预测补偿。【专利说明】网络化控制系统变采样预测控制器
本专利技术涉及一种网络化控制系统变采样预测控制器，特别适用于网络传输带宽受限、执行器输出量无法获得，要求响应快速的网络化伺服系统和其他分布式网络化控制系统。
技术介绍
随着自动化控制理论、计算机技术和网络技术的发展，工业自动化控制系统发生了巨大的变化。集散控制系统，现场总线控制系统，和网络化控制系统(NCS:Net workedControl System)纷纷出现，这些控制方式使控制系统的组成发生了巨大的变化革新。NCS充分利用通信网络的特点，将不同地域的被控对象通过网络连接到一起，完成一项复杂的控制过程，达到不受地域限制的新型控制系统。网络化控制已经越来越受到控制专家和工程人员的关注，近些年网络化控制被控制界视为最有前景的控制研究方向之一。网络化控制系统通过通信网络将分布在不同地域的被控对象连接起来打破了地域对控制系统的限制，但通过网络进行数据传输的方式也给系统带来了额外的问题，例如数据传输中的传输延时，数据包丢失，网络带宽受限等。对于网络化控制系统，带宽是影响数据传输的一个重要因素。由于受到网络带宽的限制，数据不能以任意速度进行传输，当数据传输网络拥堵时将会导致数据传输延时的增大，网络丢包率的上升，甚至导致网络瘫疾。J.Colandairaj 等人在文献(Wireless networked control systems with QoS-basedsampling.Control Theory&Applications, IET, 2007.)中指出当过多的数据通过网络发送时会对传输网络造成影响，使数据传输质量下降，影响系统的控制效果，有时甚至可以导致系统失稳。对于如何降低网络数据的传输量提高系统的稳定性控制理论研究者们做了不断的探讨研究。Xue B, Li N, Li S 等人在文献(Robust model predictive control fornetworked control systems with quantisation.1ET control theory&applications, 2010,4(12):2896-2906.)中使用一种鲁棒控制对网络化控制系统进行控制。通过设计一种鲁棒控制器对时变延时进彳丁鲁棒控制，确保系统的稳定性。这种鲁棒控制器能够有效的解决部分网络化控制器的控制器设计问题，鲁棒控制器在一定程度上提升了系统的稳定性，但是却很难兼顾系统的动态特性。为了补偿网络延时对系统造成的影响，学者对网络化预测控制方法做了多方面的研究，Pang Z H, Liu G P.等人在文献(Design and Implementationof Secure Networked Predictive Control Systems Under Deception Attacks.ControlSystems Technology, IEEE Transactions on, 2012，20 (5): 1334-1342.)中提出一种基于模型的网络化预测方法。该文中假设系统通信网络受到攻击造成系统数据传输丢失延时等，作者通过数据加密判断是否有数据丢失，通过预测方式弥补延时丢包对系统造成的影响。该网络化预测控制方法主要是基于系统的精确数学模型进行迭代预测系统未来的状态信息。这种高度依赖模型的控制方法在一定程度上能够有效的补偿延时对系统的影响。然而，由于该方法本身的设计高度依赖系统模型，这也大大限制了这种方法在工程中的使用。现有的网络化控制系统方法一般都具有一定的局限性，不利于在实际系统中应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种不依赖执行器输出量的变采样网络化控制系统预测控制器，在抑制延时对系统的影响同时降低数据传输量。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。—种网络化控制系统变采样预测控制器，包括变采样事件触发模块和网络化预测控制模块，网络化预测控制模块包括网络延时计算模块和预测补偿模块；其中:变采样事件触发模块用于调整网络数据的传输流量，并对传感器采样信息进行发送条件比较，根据事件发送触发条件对数据是否发送进行判断，利用该事件触发条件减少不必要数据的发送；网络延时计算模块用于计算当前网络数据包的传输延时大小，变采样事件触发模块在发送数据包时，对发送的数据包添加数据发送时刻的时间戳信息，该时间戳包含的数据发送时间信息为系统的全局时间，控制器接收到新的数据时网络延时计算模块根据数据包中时间戳和当前系统全局时间计算出该数据的传输延时；预测补偿模块用于对网络传输延时进行预测补偿。所述的变采样事件触发模块通过变采样数据发送策略来调节数据的发送频率，达到节省网络带宽的目的。预测补偿模块采用不依赖于执行器输出量的预测补偿策略，通过计算网络数据包的传输延时，对系统模型进行迭代，计算出系统的当前状态，补偿网络延时对系统造成的影响，提高网络化控制系统输出动态特性和稳定性。本专利技术的原理是:本专利技术通过变采样控制模块设定变采样条件从而对网络数据传输频率进行调整，减少网络数据的发送量，节省网络带宽；网络延时计算模块通过时间戳获取传输延时；预测补偿模块通过使用基于系统运行模型的迭代方法预测出系统当前运行状态，计算出控制量，通过预测补偿算法补偿网络延时对系统造成的影响，提高系统的响应速度和系统的稳定性。本专利技术的有益效果:1、本专利技术考虑了将预测控制和变采样策略相结合，通过使用变采样事件驱动控制器有效的降低网络化控制系统中的数据传输量，从而大大的节省了网络带宽。2、本专利技术不需要获得执行器的输出量，易于在实际系统中使用，即能保证网络化控制体统的闭环稳定性又能兼顾系统的动态性能。常规的网络化预测方法需要获得状态信息、传输延时、执行器输出量信息，因此在实际应用中实现具有一定困难。由于本专利技术不需要使用系统执行器的输出量，因此大大提高了该专利技术的实用性，更便于在工程中应用。此夕卜，本专利技术中的预测方法大大降低了延时对系统的影响，使得系统具有期望的瞬态响应性能，从而有效地提高了网络化控制系统的响应速度。3、本专利技术采用的变采样网络化预测控制与常规的网络化控制方案相比具有更好的系统性能，同时降低数据传输量。因此在带宽受限和传输延时变化剧烈的环境下具有更好的系统响应特性。【专利附图】【附图说明】图1是变采样网络化预测控制系统实施例结构图；图2是变采样网络化预测控制执行解析图；图3是电机伺服系统实验平台的原理图；图4是网络化控制系统数据包结构图；图5是网络化实验系统输出对比曲线图；图6是网络化控制系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种网络化控制系统变采样预测控制器，其特征在于：包括变采样事件触发模块和网络化预测控制模块，网络化预测控制模块包括网络延时计算模块和预测补偿模块；其中：变采样事件触发模块用于调整网络数据的传输流量，并对传感器采样信息进行发送条件比较，根据事件发送触发条件对数据是否发送进行判断，利用该事件触发条件减少不必要数据的发送；网络延时计算模块用于计算当前网络数据包的传输延时大小，变采样事件触发模块在发送数据包时，对发送的数据包添加数据发送时刻的时间戳信息，该时间戳包含的数据发送时间信息为系统的全局时间，控制器接收到新的数据时网络延时计算模块根据数据包中时间戳和当前系统全局时间计算出该数据的传输延时；预测补偿模块用于对网络传输延时进行预测补偿。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙健，王弟，陈杰，李牧，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11