一种针对多传感网络化控制系统的数据包丢失的补偿方法与流程

本发明涉及技术工程领域，特别适用于一类具有多个传感器的且传感器和控制器之间通过网络信道实现数据交换的控制系统。

背景技术：

随着信息系统和物理系统之间的联系日益密切，通讯网络在工程技术领域中也发挥着越来越重要的作用。传统的工业控制领域和通讯技术的紧密结合形成了一类特殊的网络化控制系统。这类控制系统和传统的控制系统相比，能大幅度减少硬件配置(比如布线等)的成本，此外，网络化控制系统在扩展性和硬件系统组成结构上有着传统控制系统无法与之媲美的优势，因此快速发展的网络化控制系统已经成为工业领域和工程领域的研究热点。

网络化控制系统之所以特殊是因为其在组成结构上与传统的控制系统有着明显的区别。传统的控制系统中，传感器控制器执行器三者之间的信息传递是通过专线传输的，其缺点在于为了达到三者之间的信息交换需要在三者之间连接信号线，因此布线成本本身就是一个非常大的问题，其次，从扩展性上来说，通过专线连接的控制系统在结构扩展上面也会受到限制，很容易“牵一发而动全身”。因此传统的控制系统受其组成结构的影响，在特定的实际应用中有着巨大的局限性，尤其在当一个控制系统需要采集不止一个传感器数据时这种局限性可能会给使用者带来巨大的麻烦。由于通讯信道的引入而形成的网络化控制系统在硬件组成上很好的解决了这类问题。这里的通讯网络除了包括使用的较多的工业控制网络can总线技术和dn技术之外还包括我们通常所说的以太网等。有了这些通讯信道的存在，传感器控制器执行器三者之间的信号传递能够不受布线的影响，从而解决了上述问题，特别是在扩展性上有着传统控制系统无法比拟的优点，此外，得益于其系统架构的好处，网络化控制系统还有着易于维护、易于收集数据等优点。但是由于通讯信道在数据传输时受通讯信道本身的影响会有传输不稳定的特点，比如会有数据包丢失或者时滞现象的产生，这类由通讯系统带来的问题可能会给控制系统的稳定性带来一定的影响。

一些应用于网络化控制系统领域的方法和技术在某种程度上解决了数据包传输过程中可能会带来的问题，但是对于存在多个传感器的网络化控制系统来说，当每个传感器都向控制器传输数据包时，数据包彼此之间或者数据包和其他数据之间可能会存在竞争，或者由于外部电磁环境的干扰，从而引起部分数据包的丢失。对于这类由多个传感器组成的网络化控制系统，当碰到部分数据包丢失的情况时，目前并没有一种有效的方法能解决这类问题，因此需要一种新颖的方法去解决。本发明的主要目的就是去解决这类问题。

对于一个存在多个传感器的网络化控制系统，每个传感器都通过单独的通讯信道向控制器发送传感器数据。这种多路多发的情况，由于通讯信道本身的特点，在一定时间内必然会引起部分数据包的丢失，因此对于控制器来说，在一个采样周期内有时候并不能收到全部传感器发送过来的数据。如何减弱数据包丢失所引起的控制系统的不稳定现象，是本发明要解决的主要问题。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种针对多传感网络化控制系统的数据包丢失的补偿方法。

本发明基于控制器端数据的同时使用预测补偿方法的方法，提供了一种和现存方法明显不同的策略。总体来说可以总结如下：

一种针对多传感网络化控制系统的数据包丢失的补偿方法，包括如下步骤：

步骤1)在控制系统的初始状态，控制器切换成本发明的系统模型；

步骤2)控制系统中存在的多个传感器分别采集到控制系统的一个状态信息，当传感器采集信息结束后，这些状态信息会分别单独地被发送到控制器端；

步骤3)控制器在接收到传感器发来的这些信息之后，首先判断是否发生了部分数据包的丢失现象，如果发生了部分数据包的丢失现象，为了保持控制系统的稳定性，则对控制系统的丢失的数据根据步骤一中切换的系统模型进行预测；

步骤4)控制器将预测的传感器信号和传感器实际发送过来的信号进行整合组成新的状态向量，根据本发明提出的改进了的基于模型的方法进行控制量的计算，并把组成的状态向量保存到本地，然后将计算出来的控制量发送到执行器。

下面就上述的方法做进一步的说明。

步骤1)中，控制器接到传感器发来的数据之后，由于本发明的方法和传统的系统模型有所区别，首先要做的就是在控制器端把系统的模型进行转换。假设一般的系统由表示，那么转换之后的系统模型就可以表示为x(k+1)＝ax(k)+bu(k)，在上面的式子中，

步骤2)中，这一步骤是传感器通过通讯信道进行数据的传送，传送方式可以是每个传感器到控制器之间都有一个单独的通讯信道，这类情况在传感器和控制器在地理上离得较远的时候比较常见。

步骤3)控制器在接收到传感器发送过来的数据信号后，首先进行根据公式预测丢失的传感器的信号。上式中代表预测的信号量，代表控制器保存的上一时刻的信号量。假如第i个传感器的数据丢失了，预测公式就可以表示为其中表示控制器中保存的第i个信号量。

步骤4)控制器根据公式计算出系统的控制量，并发送到执行器。这里的k是反馈增益矩阵。

本发明的优点是：通过对丢失的部分传感器数据进行补偿，使系统在缺失部分传感器数据的时候也能够计算出系统的控制量，进而提高了系统的性能表现，和其他方法相比，本发明方法有更快的收敛速度和更小的稳定裕度。

附图说明

附图1是实现本发明方法的具有多包传输的网络化控制系统的结构图；

附图2是一个具有三个传感器的网络化控制系统三个传感器数据的丢失情况图；

附图3是一个应用本发明方法的一个具有三个传感器的网络化控制系统在matlab软件下进行数值仿真时其中的一个状态图；

附图4是使用专业网络仿真工具包treutime仿真的一个具有三个传感器的网络化控制系统的状态图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的方法，下面结合附图来做进一步的描述，目的是为了让读者更好的理解并运用本方法。

步骤一：在控制系统中，先将受控对象的模型进行重构，重构的结果是将一般的系统模型转换成x(k+1)＝ax(k)+bu(k)，上面式子中数学一些表达式之间的关系为下面详述其转换方式:在一个控制系统中如果其中在第k时刻，第i个传感器的数据用xⁱ(k)表示，相对应于中的元素ci，同时重新构造一个状态向量预测第i个传感器的系统量。假设在状态序列x^t(k)中的第j个元素是中的uij。因此可以构造下列的一个矩阵，其中列表示为

步骤二：如图所示，是一个具有多个传感器的网络化控制系统的结构图，在这一步中，传感器1-r分别采取不同的状态量打包之后通过通讯网络发送到控制器。

步骤三：控制器在接收到传感器发来的数据包之后首先进行判断是否发生传感器数据包的丢失，如果检测出部分数据包在传输过程中丢失，则会对丢失的传感器的状态进行预测，具体的预测方法如下。对一个线性系统来说可以表示为这里的x^j(k)是控制器收到的不完全的数据包，其中q表示传感器的个数。如果用表示在k+1时刻重建的传感器状态，则可以表示为传感器数据重建的过程，这里也就是控制器中保存的上一时刻的实际用于做控制量的状态信息，得到了重建系统状态之后，把实际接收到的状态信息和预测的状态信息根据整合成一个新的混合的包含全部系统状态的向量这里

步骤四：控制器得到了混合的全部传感器数据之后，根据这些状态信息计算控制量。对线性系统来说，展开即为控制器计算出控制量u(k)之后将其通过通讯网络发送至执行器。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。