网络化控制系统丢包补偿装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及工程控制领域，尤其涉及一种网络化控制系统丢包补偿装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着计算机技术、网络通信技术和控制技术的迅速发展，网络化控制系统以其布 线少、成本低、便于远程监视与控制、易于扩展和维护等优势，已逐渐成为工业自动控制系 统的发展趋势。
[0003] 网络化控制系统是一种分布式、网络化实时反馈控制系统，是将控制系统的控制 端与被控端通过通信网络连接起来组成的闭环分布式控制系统，可以实现分布式测量、控 制与管理。但由于实时数据（包括测量数据和控制数据）均是通过网络以"数据包"的形 式进行传输，所以当网络发生节点或链路故障、拥堵、传输或路由错误时，将导致这些实时 数据包的随机丢失，并最终影响系统的控制性能，甚至导致系统不稳定。
[0004] 现有技术中已经采取了一些措施来降低随机丢包对网络化控制系统的控制性能 的影响，但还主要存在以下问题：一是现有措施大多针对线性系统，而较少考虑非线性系 统。但在实际中，几乎所有的被控对象都是非线性系统，所以现有技术中处理丢包的措施在 实际应用中的效果不理想。二是现有措施多为基于被控对象的数学模型所建立的方法，但 随着信息科学技术的发展，许多工业过程发生了巨大的变化，如：生产设备和生产过程变得 越来越复杂，对产品质量的要求也越来越高。要对这些复杂过程建立精确的数学模型，并对 其实施有效的控制已变得越来越困难。因此当数学模型与实际系统不一致时，控制性能将 无法保证，这些都极大地限制了网络化控制系统在实际工程中的应用和推广。
[0005] 综上，亟需一种不依赖于被控对象数学模型且有效补偿网络化控制系统随机丢包 的方法来解决上述问题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种不依赖于被控对象数学模型且 有效补偿网络化控制系统随机丢包的方法。
[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网络化控制系统丢包补 偿方法，包括，步骤一、基于参数估计算法，在每个采样时刻利用被控对象的输出数据与控 制数据建立等价数据模型；步骤二、基于所述等价数据模型以及一定的控制律，利用参考输 入信号与被控对象的输出数据得到控制增量预测值序列；步骤三、根据前向通道与反向通 道的随机丢包的情况从所述控制增量预测值序列中选择一个值作为确定的控制增量，利用 所述控制增量得到控制信号并施加于被控对象进行丢包补偿。
[0008] 优选地，在步骤一中，根据以下参数估计算法建立等价数据模型：
[0009]
【主权项】
1. 一种网络化控制系统丢包补偿方法，包括以下步骤： 步骤一、基于参数估计算法，在每个采样时刻利用被控对象的输出数据与控制数据建 立等价数据模型； 步骤二、基于所述等价数据模型以及一定的控制律，利用参考输入信号与被控对象的 输出数据得到控制增量预测值序列； 步骤三、根据前向通道与反向通道的随机丢包的情况从所述控制增量预测值序列中选 择一个值作为确定的控制增量，利用所述控制增量得到控制信号并施加于被控对象进行丢 包补偿。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤一中，根据以下参数估计算法建立 等价数据模型：
式中，为k时刻的伪偏导数Φ (k)的估计值；Au(Ic-I)为被控对象在k-Ι时刻的 控制增量；AyQO为被控对象在k时刻的输出增量；μ，q和ε为常数，为火幻的初 始值，sign( ·)为符号函数。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤二中，根据以下控制律得到控制增 量预测值序列Aus(k+i|k):
式中，i和j均为迭代次数，i的取值为0,1,..., J，其中，?为反向通道和前向通道连续 丢包总数的上界；y (k+j I k)为根据k时刻的被控对象的输出数据y (k)迭代得到的k+j时刻 的输出预测值；r(k+j+l)为（k+j+Ι)时刻系统的参考输入信号；〇^) = /^(幻/0 + 士幻2) 为控制律系数，其中，为k时刻的伪偏导数ΦΟΟ的估计值，λ和p为常数。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤三中， 当反向通道和前向通道均未丢包时，从当前时刻k的控制增量预测值序列中选择第一 个值作为确定的控制增量； 当反向通道或前向通道发生丢包时，从与当前时刻k最近的未丢包时刻kl的控制增量 预测值序列中选择第（k-lq+l)个值作为确定的控制增量。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据以下表达式得到施加于被控对象的 控制信号u(k): u(k) = u{k{ -1) + /Si!I (k - k,) 式中，U(Ii1-I)为与当前时刻k最近的未丢包时刻Ii1的前一时刻的控制信号， ^为匕时刻的控制增量预测值序列M7；中的第（k_ki+1)个元素。
6. -种网络化控制系统丢包补偿装置，包括： 设置于反向通道被控端的参数估计模块，其基于参数估计算法，在每个采样时刻利用 被控对象的输出数据与控制数据建立等价数据模型； 设置于前向通道控制端的控制预测模块，其基于所述等价数据模型以及一定的控制 律，利用参考输入信号与被控对象的输出数据得到控制增量预测值序列； 设置于前向通道被控端的丢包补偿模块，其根据前向通道与反向通道的随机丢包的情 况从所述控制增量预测值序列中选择一个值作为确定的控制增量，利用所述控制增量得到 控制信号并施加于被控对象进行丢包补偿。
7. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述参数估计模块根据以下参数估计算 法建立等价数据模型：
式中，士幻为k时刻的伪偏导数Φ (k)的估计值；Au(Ic-I)为被控对象在k-Ι时刻的 控制增量；AyQO为被控对象在k时刻的输出增量；μ，q和ε为常数，^(0)为士/t)的初 始值，sign( ·)为符号函数。
8. 根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述控制预测模块根据以下控制律得到 控制增量预测值序列Aus (k+i |k):
式中，i和j均为迭代次数，i的取值为0,1，..., J，其中，J为反向通道和前向通道连续丢 包总数的上界；y(k+j |k)为根据k时刻的被控对象的输出数据y(k)迭代得到的k+j时刻 的输出预测值；r(k+j+l)为（k+j+Ι)时刻系统的参考输入信号；= 幻+ 为控制律系数，其中，士幻为k时刻的伪偏导数Φ (k)的估计值，λ和p为常数。
9. 根据权利要求6-8中任一项所述的装置，其特征在于， 当反向通道和前向通道均未丢包时，所述丢包补偿模块从当前时刻k的控制增量预测 值序列中选择第一个值作为确定的控制增量； 当反向通道或前向通道发生丢包时，所述丢包补偿模块从与当前时刻k最近的未丢包 时刻h的控制增量预测值序列中选择第（k-k1+l)个值作为确定的控制增量。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述丢包补偿模块根据以下表达式得到 施加于被控对象的控制信号u (k): u(Ji) - u{kj - I)H-ΔΟ(, {k ~kj) 式中，U(Ii1-I)为与当前时刻k最近的未丢包时刻Ii1的前一时刻的控制信号， 八％0-~)为1^时刻的控制增量预测值序列八％中的第〇^1+1)个元素。
【专利摘要】本发明公开了一种网络化控制系统丢包补偿方法，包括以下步骤：基于参数估计算法，在每个采样时刻利用被控对象的输出数据与控制数据建立等价数据模型；基于所述等价数据模型以及一定的控制律，利用参考输入信号与被控对象的输出数据得到控制增量预测值序列；根据前向通道与反向通道的随机丢包的情况从所述控制增量预测值序列中选择一个值作为确定的控制增量，利用所述控制增量得到控制信号并施加于被控对象进行丢包补偿。该方法解决了现有技术中基于模型的丢包补偿方法高度依赖被控对象的数学模型的问题，提高了控制系统的收敛速度和跟踪性能。该丢包补偿装置构造简单，控制参数少，便于在实际工程中进行应用。
【IPC分类】H04L1-00
【公开号】CN104639293
【申请号】CN201510051479
【发明人】庞中华, 刘国平, 周东华, 孙德辉
【申请人】北方工业大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月30日