一种能够补偿时延与丢包的网络化控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程控制领域，尤其涉及一种能够补偿时延与丢包的网络化控制系统 及控制方法。
【背景技术】
[0002] 网络化控制系统是指通过通信网络进行数据交换的闭环控制系统。一方面，与传 统的点对点连接的控制系统相比，网络化控制系统具有如下众多优势:布线和耗能少、安装 和维护成本低、便于远程监视与控制、易于扩展和移动等。因此，近年来，网络化控制系统已 在工业、交通、军事、医疗等领域获得了越来越广泛的应用。
[0003] 而另一方面，在实际应用中，由于网络拥塞、网络传输时延、数据包排队、比特传输 错误、路由信息错误、物理线路故障等原因，测量信号和控制信号在网络化控制回路中传输 时不可避免地出现随机时延、数据包乱序与丢失现象，这将造成网络化控制系统的性能下 降甚至发散。
[0004] 为解决上述网络化控制系统中存在的随机时延、数据包乱序与丢失，现有技术中 已设计出多种解决方案，但这些方法在实施时仍存在如下问题:建模方式复杂以及计算与 传输的数据量大。在实际中，几乎所有的被控对象都是非线性系统，甚至是时变非线性系 统。而且，随着科学技术的迅速发展，许多工业过程发生了翻天覆地的变化，生产工艺和生 产设备变得越来越复杂。虽然针对上述复杂过程建立数学模型的方法已经得到了一定程度 的解决，但由此而带来的计算量大、数据量大的问题则变得越来越突出。网络化控制系统主 要通过网络传输各种控制信号和反馈数据，当模型数据量增加时，传输这些模型数据必然 加重网络传输的负担，甚至造成网络拥塞导致网络化控制系统不能正常运行。
[0005] 综上，亟需对现有网络化控制系统进行改进以减弱或消除其对模型的依赖性和减 少网络通道中传输的数据量。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题之一是需要对现有网络化控制系统进行改进以减弱 或消除其对模型的依赖性和减少网络通道中传输的数据量。
[0007] 为了解决上述技术问题，本申请的实施例首先提供了一种能够补偿时延与丢包的 网络化控制系统，包括:传感模块，位于反馈通道被控端，实时采集被控对象的输出数据，并 将当前采样时刻作为与所述输出数据对应的时间戳;控制模块，位于前向通道控制端，根据 参考输入信号及接收到的所述输出数据获取控制增量;执行模块，位于前向通道被控端，根 据所述时间戳确定反馈通道和前向通道的时延与丢包的情况，并基于所述时延与丢包的情 况及所述控制增量构造控制信号施加于被控对象。
[0008] 优选地，执行模块包括:时间戳比较单元，其通过比较确定距当前时刻最近的时间 戳，并存储对应于所述时间戳的控制增量;时延计算单元，其根据所述时间戳计算当前时刻 的环路时延;信号输出单元，其基于存储的控制增量与所述环路时延输出控制信号。
[0009] 优选地，时延计算单元根据如下表达式计算环路时延ik:
[0010] Tk=k-^
[0011] 其中，k表示当前时刻，< 为确定的距当前时刻最近的时间戳，
[0012]优选地，信号输出单元根据如下表达式输出控制信号：
[0013]
[0014] 其中，u(k)和-1)分别为当前时刻k和< -1时刻的控制信号，Δ?0->为与距当 前时刻最近的时间戳对应的控制增量，％为时延补偿因子，i为用于迭代的变量。
[0015] 优选地，输出单元根据控制增益调整所述时延补偿因子：当控制增益小于设定的 第一增益阈值时，增大所述时延补偿因子的数值;当控制增益大于设定的第二增益阈值时， 减小所述时延补偿因子的数值；当控制增益位于所述第一增益阈值与第二增益阈值之间 时，保持所述时延补偿因子为常数。
[0016] 本申请的实施例还提供了一种能够补偿时延与丢包的网络化控制方法，包括:实 时采集被控对象的输出数据，并将当前采样时刻作为与所述输出数据对应的时间戳;根据 参考输入信号及接收到的所述输出数据获取控制增量;根据所述时间戳确定反馈通道和前 向通道的时延与丢包的情况，并基于所述时延与丢包的情况及所述控制增量构造控制信号 施加于被控对象。
[0017] 优选地，在根据所述时间戳确定反馈通道和前向通道的时延与丢包的情况，并基 于所述时延与丢包的情况及所述控制增量构造控制信号施加于被控对象的步骤中包括:通 过比较确定距当前时刻最近的时间戳，并存储对应于所述时间戳的控制增量;根据所述时 间戳计算当前时刻的环路时延;基于存储的控制增量与所述环路时延输出控制信号。
[0018] 优选地，根据如下表达式计算环路时延ik:
[0019] Tk： = k.-k^
[0020] 其中，k表示当前时刻，<为确定距当前时刻最近的时间戳，Γ ￡人。
[0021] 优选地，根据如下表达式输出控制信号：
[0022]
[0023] 其中，u(k)和分别为当前时刻1^和<-1时刻的控制信号，Δ?)为与距当 前时刻最近的时间戳对应的控制增量，％为时延补偿因子，i为用于迭代的变量。
[0024] 优选地，根据控制增益调整所述时延补偿因子：当控制增益小于设定的第一增益 阈值时，增大所述时延补偿因子的数值;当控制增益大于设定的第二增益阈值时，减小所述 时延补偿因子的数值；当控制增益位于所述第一增益阈值与第二增益阈值之间时，保持所 述时延补偿因子为常数。
[0025] 与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效 果：
[0026] 通过采用时间戳比较策略，在不需要知道被控对象的数学模型、阶数、时滞以及其 他先验知识的情况下对反馈通道和前向通道中的随机时延、数据包乱序与丢失进行补偿， 且可以大大节省网络带宽和能量消耗，便于在实际工程中应用和推广。
[0027]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并 且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可 以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要 求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0028]附图用来提供对本申请的技术方案或现有技术的进一步理解，并且构成说明书的 一部分。其中，表达本申请实施例的附图与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方 案，但并不构成对本申请技术方案的限制。
[0029] 图1为本发明实施例的能够补偿时延与丢包的网络化控制系统的结构示意图；
[0030] 图2为本发明实施例的能够补偿时延与丢包的网络化控制方法的流程示意图；
[0031 ]图3为反馈通道中发生随机时延的示意图；
[0032] 图4为前向通道中发生随机时延的示意图；
[0033] 图5为反馈通道中发生随机丢包的示意图；
[0034] 图6为前向通道中发生随机丢包的示意图；
[0035] 图7为网络环路中发生随机时延的示意图；
[0036] 图8为未发生时延和丢包的本地控制效果的不意图；
[0037] 图9为有时延和丢包但未做补偿的网络化控制效果的示意图；
[0038] 图10为有时延和丢包且采用本发明实施例的网络化控制方法进行补偿的控制效 果的示意图。
【具体实施方式】
[0039] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术