CN105607603B - 一种能够补偿时延与丢包的网络化控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够补偿时延与丢包的网络化控制系统及控制方法，该系统包括传感模块，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。该系统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，节省网络带宽和能量消耗，便于在实际工程中应用和推广。

Description

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

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

优选地，时延计算单元根据如下表达式计算环路时延τ_k：

其中，k表示当前时刻，为确定的距当前时刻最近的时间戳，

优选地，信号输出单元根据如下表达式输出控制信号：

其中，u(k)和分别为当前时刻k和时刻的控制信号，为与距当前时刻最近的时间戳对应的控制增量，η_k为时延补偿因子，i为用于迭代的变量。

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。

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。

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。

优选地，根据如下表达式计算环路时延τ_k：

其中，k表示当前时刻，为确定距当前时刻最近的时间戳，

优选地，根据如下表达式输出控制信号：

其中，u(k)和分别为当前时刻k和时刻的控制信号，为与距当前时刻最近的时间戳对应的控制增量，η_k为时延补偿因子，i为用于迭代的变量。

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。

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：

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。

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

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。

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；

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；

图3为反馈通道中发生随机时延的示意图；

图4为前向通道中发生随机时延的示意图；

图5为反馈通道中发生随机丢包的示意图；

图6为前向通道中发生随机丢包的示意图；

图7为网络环路中发生随机时延的示意图；

图8为未发生时延和丢包的本地控制效果的示意图；

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；

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

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问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例为了克服现有技术的不足，提供一种能够补偿随机时延、数据包乱序与丢失的网络化控制系统，该系统在进行补偿时，无需知道被控对象的数学模型、阶数、时滞以及其他先验知识，仅利用被控对象的输入输出数据，并利用时间戳比较策略，就可以实施对随机时延和丢包的补偿，是一种简单的补偿方法，能够主动补偿反馈通道和前向通道中的随机时延、数据包乱序与丢失。下面结合图1和图2详细说明。

如图1所示，该系统包括传感模块11、控制模块12以及执行模块13。其中传感模块11位于反馈通道被控端，用于实时采集被控对象的输出数据，并将当前采样时刻作为与输出数据对应的时间戳一起封装进数据包，通过网络将包含输出数据与时间戳的数据包反馈给控制模块12。控制模块12位于前向通道控制端，用于根据参考输入信号及传感模块11发送来的数据包获取控制增量，并通过网络将获取的控制增量发送给执行模块13。执行模块13位于前向通道被控端，用于根据时间戳确定反馈通道与前向通道的时延与丢包的情况，并基于时延与丢包的情况及利用获取的控制增量构造控制信号施加于被控对象，完成闭环的控制过程。

通常情况下，执行模块13在每个采样时刻都会经由网络从控制模块12接收一个控制增量，但网络传输过程不可避免地存在延时和丢包，因此不能保证每一时刻都能收到数据包，且不能保证某一时刻接收到的数据包是最新的。如图1所示，由于网络时延的存在，在当前时刻k，控制模块12接收到的来自传感模块11的数据包中的数据是k_s≤k时刻的输出数据及其对应的时间戳。同样的网络时延还存在于前向通道从控制模块12向执行模块13发送数据的过程中。为了解决这个问题，本发明实施例利用时间戳比较策略，缓存从控制模块12发送过来的距当前时刻最近的控制增量和时间戳，并根据距当前时刻最近的时间戳实时计算出网络环路时延，进而基于最新的控制增量构造出施加于被控对象的控制信号，以主动补偿反馈通道和前向通道中的随机时延、数据包乱序与丢失。

具体的，执行模块13内部进一步设置有时间戳比较单元、时延计算单元以及信号输出单元。其中，时间戳比较单元主要用于通过比较确定距当前时刻最近的时间戳，并存储对应于该时间戳的控制增量。由于反馈通道和前向通道中均存在随机时延，执行模块13只能收到滞后的控制增量，且有可能发生乱序和丢包现象。时间戳比较单元可利用时间戳比较策略获得最新的控制增量和时间戳，并将其进行缓存。时延计算单元根据上述时间戳计算当前时刻的环路时延，信号输出单元可以根据存储的控制增量以及环路时延输出控制信号。

进一步地，假设被控对象为如下单输入单输出非线性离散时间系统：

y(k+1)＝f(y(k),…,y(k-n_y),u(k),…,u(k-n_u)) (1)

式中，y(k)和u(k)分别为被控对象在k时刻的输出数据和输入的控制信号，f(·)为未知的非线性函数，n_y和n_u分别为被控对象的未知的输出和输入阶数。假设函数f(·)对u(k)的偏导数是连续的，且(1)满足广义Lipschitz条件，即对于任意时刻k和|Δu(k)|≠0，均有|Δy(k+1)|≤b|Δu(k)|，其中b>0为常数，则表达式(1)所示的被控对象可以等价地表示为如下数据模型：

Δy(k+1)＝φ(k)Δu(k) (2)

式中，φ(k)为伪偏导数，且φ(k)|≤b。对于上述被控对象(1)，伪偏导数φ(k)一般不变号，即对于任意时刻k通常满足φ(k)>0或φ(k)<0。因此，不失一般性，在此假设φ(k)>0。

为使被控对象的输出数据y(k)跟踪参考输入信号r(k)，可采用如下性能指标进行评价：

J(Δu(k))＝(r(k+1)-y(k+1))²+λΔu(k)² (3)

式中，λ>0为控制加权因子。将表达式(2)代入表达式(3)，且最小化表达式(3)可得如下控制律：

特别的，对于参考输入信号为常值的网络化控制系统，由表达式(4)和表达式(2)可得：

由于λ>0、φ(k)>0和φ(k+1)>0，若被控对象数据模型的伪偏导数满足φ(k+1)≈φ(k)，由表达式(5)可得：

sign(Δu(k+1))＝sign(Δu(k)) (6a)

|Δu(k+1)|<|Δu(k)| (6b)

从表达式(6)可以看出，对于参考输入信号为常值的网络化控制系统，控制增量在任意相邻的两个采样时刻不变号，且绝对值减小。基于上述性质，本发明实施例的信号输出单元利用如表达式(7)所示的模型构造输出控制信号：

式中，u(k)和分别为当前时刻k和时刻的控制信号，为确定的距当前时刻最近的时间戳，为与距当前时刻最近的时间戳对应的控制增量，i为用于迭代的变量。

η_k为时延补偿因子，且0≤η_k<1。时延补偿因子η_k可以根据实际中所采用的控制律的控制增益进行调整，具体的，当设计的控制律的控制增益为固定控制增益时，如果控制增益的数值较小，那么可以选择较大的，且数值固定的时延补偿因子。反之，如果控制增益的数值较大，那么可以选择较小的，且数值固定的时延补偿因子。

进一步地，当设计的控制律的控制增益为自适应控制增益时，如果控制增益的数值较小，即当控制增益小于设定的第一增益阈值时，适当增大时延补偿因子的数值。如果控制增益的数值较大，即当控制增益大于设定的第二增益阈值时，适当减小时延补偿因子的数值。当控制增益位于第一增益阈值与第二增益阈值之间时，可以保持时延补偿因子为常数。这样，一方面可以简化算法，另一方面通过调整时延补偿因子，既可以使被控对象的超调得以抑制，又可以使被控对象的输出快速平稳地达到预设值。

τ_k为网络的环路时延，可以根据表达式(8)计算得到：

式中，k表示当前时刻，为确定的距当前时刻最近的时间戳，环路时延τ_k体现了反馈通道和前向通道中随机时延、数据包乱序与丢失的总的影响。

由于本发明实施例同时考虑了反馈通道和前向通道中的随机时延与丢包的影响，因此更符合工业网络化控制系统的实际情况。另外，本发明实施例不局限于某一特定控制律，且前向通道中仅需传输少量数据，可大大节省网络带宽和能量消耗。本发明实施例计算量小，时延补偿因子物理意义明确，且体现了反馈通道和前向通道中随机时延、数据包乱序与丢失的总的影响，便于在实际工程中应用和推广。

下面结合图3-图10，以一示例来验证本发明实施例的有效性，具体的，采用如下非线性系统进行数值仿真：

假设网络化系统的反馈通道和前向通道中同时存在随机时延和丢包，如图3-图6所示。其中，图3和图4分别为反馈通道和前向通道中的随机时延，图5和图6分别为反馈通道和前向通道中的随机丢包，丢包率分别为44.64％和48.63％，图中的“1”代表数据包传输成功，“0”代表数据包在传输中丢失。图3-图6中的随机时延和丢包导致的网络环路时延如图7所示，最大值为23。

采用本发明实施例的网络化控制系统来实现非线性系统(9)的网络化控制，其中控制模块采用如下控制律：

式中，为伪偏导数φ(k)的估计值，并取λ＝5，μ＝1，和ε＝10^-5，参考输入信号选为时变阶跃信号。

为了进行比较，数值仿真分如下三种情况进行：无时延和丢包、有时延和丢包但无补偿、有时延和丢包且有补偿。仿真结果如图8-图10所示。

图8为未发生时延和丢包的本地控制效果的示意图，即反馈通道和前向通道中的数据传输是理想的，不存在任何时延和丢包现象。从图8中可以看出，控制系统的输出可以很好地跟踪时变阶跃参考输入。

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，即相当于在本发明实施例的补偿方案中取η_k＝0.0。反馈通道和前向通道中的随机时延和丢包如图3-图6所示。从图9中可以看出，与本地控制结果(图8)相比，无补偿网络化控制系统的输出跟踪性能变得非常差。

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，即将本发明实施例的补偿方案的时延补偿因子取为η_k＝0.7。反馈通道和前向通道中的随机时延和丢包如图3-图6所示。从图10中可以看出，与无补偿网络化控制系统的结果(图9)相比，在同样随机时延和丢包的影响下，有补偿网络化控制系统的输出跟踪性能得到了大大改善，甚至接近于无随机时延和丢包的本地控制效果(图8)。

为了定量衡量控制系统的输出跟踪性能，定义性能指标为：

则由图8-图10可得本地控制系统、无补偿网络化控制系统和有补偿网络化控制系统的性能指标分别为23.7907、176.6491和41.5404。可以看出，本发明实施例的控制方案是有效的。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一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；其中，

所述执行模块包括：

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；

所述时延计算单元根据如下表达式计算环路时延τ_k：

<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msubsup> </mrow>

其中，k表示当前时刻，为确定的距当前时刻最近的时间戳，

所述信号输出单元根据如下表达式输出控制信号：

<mrow> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>k</mi> </msub> </munderover> <msubsup> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，u(k)和分别为当前时刻k和时刻的控制信号，为与距当前时刻最近的时间戳对应的控制增量，η_k为时延补偿因子，i为用于迭代的变量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述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。

3.一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；其中，

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；

根据如下表达式计算环路时延τ_k：

<mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msubsup> </mrow>

其中，k表示当前时刻，为确定距当前时刻最近的时间戳，

根据如下表达式输出控制信号：

<mrow> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mi>k</mi> </msub> </munderover> <msubsup> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msubsup> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>k</mi> <mi>s</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，u(k)和分别为当前时刻k和时刻的控制信号，为与距当前时刻最近的时间戳对应的控制增量，η_k为时延补偿因子，i为用于迭代的变量。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，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。