CN107276724A - 基于事件触发的网络化控制系统编码器及其编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于事件触发的网络化控制系统编码器及其编码方法，涉及网络化控制技术领域。包括依次连接的系统状态坐标变换电路、数据采样保持器、模数转换器和数字信号处理器，数字信号处理器中集成信号处理的软件功能模块包括数字滤波器模块、事件触发器模块、量化编码模块、数据包生成模块和传输速率计算模块。通过先对系统状态的坐标变换，再进行量化编码，最大程度地消除状态变量之间的相关程度；判定量化编码触发时间的事件为“系统性能变化超界”事件或“传输速率超速”事件，仅当触发事件发生时，才进行量化编码，并发送数据，从而实现传输速率最小化，能大大降低对网络通信带宽的要求，同时能确保达到给定的系统控制性能指标要求。

Description

基于事件触发的网络化控制系统编码器及其编码方法

技术领域

本发明涉及网络化控制技术领域，尤其涉及一种基于事件触发的网络化控制系统编码器及其编码方法。

背景技术

随着信息化、网络化和工业自动化等技术不断融合，相互促进发展，网络化控制技术受到越来越多的关注，逐渐形成，并广泛应用到工业、农业、国防等各个生产环节。

在网络化控制系统中，传感器和控制器是在空间上分离的，并通过一个无线通信网络连接，例如，无人驾驶飞行器、无人驾驶水上舰艇或无人驾驶陆上车辆等。传感器测量到的系统参数需要量化、编码，采用数字通信方式在空间进行无线传输。用于控制系统的编码器必须能够适应控制系统的实时性要求，还要确保控制性能指标达到要求。目前，虽然已经存在许多编码器的设计方案，但是专门针对控制系统的设计方案较少。因此，需要设计一种适合于网络化控制系统的编码器。

另外，随着控制系统规模越来越大，内部结构越来越复杂，需要传输的数据量也越来越大。一些复杂控制系统可能含有几千甚至于几万个传感器。完成数据实时传输所需要的传输速率常常会超过网络通信信道的信道容量，常常导致数据包传输延迟、丢失、乱序等问题发生，严重时导致网络瘫痪，大大降低了系统控制性能，甚至于导致系统不稳定。因此，数据的传输速率存在一个上界限定，即传输速率不能大于信道容量。对于复杂控制系统来讲，在确保其各项控制性能指标的条件下，如何设计一个编码器，使得数据实时传输所需要的传输速率最小化，是一个非常有价值的研究课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于事件触发的网络化控制系统编码器及其编码方法，适应于网络化控制系统实时性要求，使得传输速率最小化，并能够确保满足系统控制性能指标要求。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一方面，本发明提供一种基于事件触发的网络化控制系统编码器，包括依次连接的系统状态坐标变换电路、数据采样保持器、模数转换器和数字信号处理器；

系统状态坐标变换电路连接控制系统的状态观测器，用于实现对控制系统状态信号的坐标变换；数据采样保持器用于对变换后的系统状态进行实时采样；模数转换器用于对采样信号进行模拟信号到数字信号的转换；数字信号处理器中集成信号处理的软件功能模块，包括数字滤波器模块、事件触发器模块、量化编码模块、数据包生成模块和传输速率计算模块；

数字滤波器模块用于对采样信号进行滤波，减小噪声和干扰信号的影响；事件触发器模块用于根据滤波后的采样信号判定是否触发量化编码模块，进而进行量化编码和数据传输；量化编码模块用于在事件触发模块判定触发后，采用能够满足控制系统要求的实时编码策略，对采样信号进行传输速率最小化的量化编码；数据包生成模块用于在完成信号的量化编码后，根据控制系统传输网络的通信协议生成符合传输标准的数据包；传输速率计算模块用于根据生成的数据包，转化成适合无线通信信道传输的信号，并计算出传输该信号所需的传输速率；

事件触发器模块的判定依据为“系统性能变化超界”事件或“传输速率超速”事件是否发生；“系统性能变化超界”事件为，对于给定的系统性能指标，系统实际性能偏离程度超过了上界限制；“传输速率超速”事件为，系统实际性能偏离程度没有超过上界限制，但是系统状态值变化太大，超过了所需传输速率的上界限制。

进一步地，所述系统状态坐标变换电路采用LM358芯片；所述数据采样保持器采用OPA615芯片；所述模数转换器采用AD80141芯片；所述数字信号处理器采用TMS320C6455芯片；所述数字滤波器模块采用积分梳状滤波器。

另一方面，本发明还提供一种上述基于事件触发的网络化控制系统编码器的编码方法，通过控制系统状态观测器来获取系统状态信号，基于系统矩阵计算变换矩阵，然后设定系统状态坐标变换电路参数，实现对系统状态信号的坐标变换；经过数据采样保持器对变换后的系统状态进行采样，然后通过模数转换器对其进行模拟信号到数字信号的转换；再通过数字滤波器模块对其滤波，减小噪声和干扰信号的影响；进行量化编码触发时间判断，通过事件触发器模块判断“系统性能变化超界”事件或“传输速率超速”事件是否发生，若两事件之一发生，则立即触发量化编码模块，基于控制系统的实时性，进行系统状态量化和编码，实现最小传输速率的量化编码；完成信号的量化编码后，再根据网络的通信协议生成便于传输的数据包，转化成可以适合无线通信信道传输的信号，并计算所需的数据传输速率，对信号进行无线传输。

进一步地，系统状态量化的方法为，针对控制系统动态方程，对系统状态进行坐标变换，最大程度地消除各个状态变量之间的关联程度，再根据系统矩阵特征值和控制性能指标来设定量化参数，然后对变换后的系统状态变量采用均匀量化法进行量化，具体为：计算矩阵M使得H＝M^TGM，其中，矩阵H为系统状态矩阵，矩阵G为γ_i为系统矩阵的第i个特征值，T为相邻两次发送数据间隔时间；对系统状态进行坐标变换，变换后的系统状态为：对系统状态变量采用均匀量化法进行量化，对进行量化的量化级数为E_ti，则条件成立，其中，β＞1，其值大小由给定控制系统的控制性能指标确定；

系统状态编码的方法为，基于控制系统实时性要求及动态变化方程，消除前后码符号之间的关联，采用最短的等长码编码策略进行编码；设编码后的码符号为其中，

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于事件触发的网络化控制系统编码器及其编码方法，适合于网络化控制系统要求，具有实时性，根据“系统性能变化超界”事件和“传输速率超速”事件来触发量化编码，可以实现所需的数据传输速率最小化，可以大大降低对网络通信带宽的要求，同时能确保达到给定的系统控制性能指标要求。

附图说明

图1为本发明实施例提供的网络化控制系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于事件触发的网络化控制系统编码器结构框图；

图3为本发明实施例提供的系统状态坐标变换电路原理图；

图4为本发明实施例提供的数据采样保持电路原理图；

图5为本发明实施例提供的模数转换器电路原理图；

图6为本发明实施例提供的编码器编码方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

网络化控制系统，如图1所示，主要包括被控对象、传感器、编码器、解码器、控制器、执行器、通信网络等部分。本实施例提供一种基于事件触发的网络化控制系统编码器，主要适用于网络化控制系统，特别适合于具有大量传感器的复杂控制系统。传感器与控制器之间通过无线数字通信网络连接，可以降低系统成本、便于维修维护。

一种线性时不变控制系统的状态方程表示为：

C_t＝FS_t

其中，S_t∈Rⁿ，表示系统状态；U_t∈R^p，表示控制输出；N_t∈R^q，表示系统噪声和干扰信号；C_t∈R^m，表示通过传感器测量到的系统参数值；H、B、L、F是适当维数的矩阵。

通过传感器测量系统参数值，再经过系统状态观测器可以估计出系统状态值。由于传感器和控制器是地理上分离的，并通过一个无线数字通信网络连接，因此需要对观测到的系统状态值进行量化、编码，再进行传输。通信网络的信道存在一个信道容量，传输速率不能超过这个信道容量。复杂控制系统可能包含几千甚至几万个传感器，数据传输所需要的传输速率可能很大，但是一定要小于信道容量。另外，控制系统通常会有一些控制性能指标要求，系统状态信息的传输要能够确保这些性能指标满足要求。

针对上述的控制系统，本实施例提供一种基于事件触发的网络化控制系统编码器，如图2所示，包括依次连接的系统状态坐标变换电路、数据采样保持器、模数转换器和数字信号处理器。

系统状态坐标变换电路连接控制系统的状态观测器，用于实现对控制系统状态信号的坐标变换。本实施例采用LM358芯片，如图3所示，为一个三维系统状态变量的坐标变换电路，可以根据实际控制系统状态分量个数扩展电路，实现更多维数变换。LM358是双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器。系统状态观测器输出信号连接到S_t1、S_t2和S_t3管脚，管脚是输出，连接到下级电路数据采样保持器。

数据采样保持器用于对变换后的系统状态进行实时采样。本实施例采用OPA615芯片，如图4所示，OPA615包含一个运算跨导放大器、一个缓冲放大器和一个并发开关电路。通过对开关电路的使能和关断控制，可以实现对信号的采样，以便后面的模数转换器实现对信号的模拟量到数字量的转换。S_t管脚是信号输入，S_t_OUT是输出，连接到下级电路模数转换器。

模数转换器用于对采样信号进行模拟信号到数字信号的转换。本实施例采用AD80141芯片，如图5所示，AD80141是一个高速模数转换器件，主要参数为：单通道，最大采样频率为Fs＝145MSPS，输出数据11位，工作温度为-40℃-85℃。AD80141芯片的30和31管脚是信号出入，变换后的结果通过2-14管脚输出，并连接到下级电路数字信号处理器TMS320C6455芯片。

数字信号处理器中集成信号处理的软件功能模块，包括数字滤波器模块、事件触发器模块、量化编码模块、数据包生成模块和传输速率计算模块。数字滤波器模块采用积分梳状滤波器，用于对采样信号进行滤波，减小噪声和干扰信号的影响。事件触发器模块用于根据滤波后的采样信号计算判定是否触发量化编码模块，进而进行量化编码和数据传输，其判定依据为“系统性能变化超界”事件或“传输速率超速”事件是否发生；“系统性能变化超界”事件为，对于给定的系统性能指标，系统实际性能偏离程度超过了上界限制；“传输速率超速”事件为，系统实际性能偏离程度没有超过上界限制，但是系统状态值变化太大，超过了所需传输速率的上界限制。量化编码模块用于在事件触发模块判定触发后，采用能够满足控制系统要求的实时编码策略，对采样信号进行传输速率最小化的量化编码。数据包生成模块用于在完成信号的量化编码后，根据控制系统传输网络的通信协议生成符合传输标准的数据包。传输速率计算模块用于根据生成的数据包，转化成适合无线通信信道传输的信号，并计算出传输该信号所需的传输速率。数据包中除了含有控制系统状态信息以外，还要根据网络的数据链路层、网络层、传输层和应用层等数据格式的要求，增加一些传输数据，以确保控制系统状态信息能够安全准确地发送给控制器。

本实施例编码器的编码方法如图6所示，通过系统状态观测器获得系统状态值，然后通过坐标变换电路对其进行坐标变换，最大程度地消除状态分量之间的相关程度。然后通过数据采样保持器电路对变换后的状态值进行采样，并通过模数转换器把模拟量转换成数字量。考虑到系统中存在噪声和干扰，通过数字滤波器对信号进行数字滤波。根据给定的系统控制性能指标、系统状态和传输速率上界，通过触发时间判断模块计算分析触发时间。量化编码的时间是采用事件触发方式，事件触发时间要根据给定的控制系统性能指标、控制系统状态、传输速率上界来计算判定。如果触发事件判断发生，则通过量化编码模块进行量化编码。再根据通信协议，通过数据包生成模块生成数据包，发送系统状态信息给控制器。最后，通过传输速率计算计算发送状态信息所需要的传输速率。

本实施例所述的编码方法主要步骤包括以下四点。

(1)量化编码触发时间判断

在上述控制系统中，通过传感器实时测量系统参数值，通过系统状态观测器得到系统状态值，并根据系统动态方程分析系统状态的未来变化趋势。基于给定的系统控制性能指标要求，对系统性能进行分析判断。对于给定的系统性能指标，如果系统实际性能偏离程度超过了上界限制，就立刻触发编码器，对当前的系统状态进行量化、编码，并把状态信息通过无线通信网络传输给控制器，改善系统控制性能，使其达到给定的控制性能指标要求。这种判定触发时间的事件称为“系统性能变化超界”事件。

设系统控制性能指标为θ(t)。针对不同的控制系统，控制性能指标θ(t)可以采取不同形式。令V_t＝S_t ^TPS_t表示李雅普诺夫函数，其中P为权矩阵。定义其中，V₀为系统状态的稳态值，则期望的系统状态应满足下面的约束条件：

令ΔT_m表示从信号采样到控制器获得系统状态信息并开始实施控制之间的时间间隔上界。如果在t时刻，下列条件成立：

那么，判定在t时刻“系统性能变化超界”事件发生，应立刻对系统状态进行量化编码，并传输数据给控制器。

另外，如果系统实际性能偏离程度没有超过上界限制，但是系统状态值变化太大，超过所需传输速率的上界限制，也要立刻触发编码器，对当前的系统状态进行量化、编码，并把状态信息通过无线通信网络传输给控制器。这种判定触发时间的事件称为“传输速率超速”事件。

设通信信道的信道容量为C，系统状态量化编码后，根据通信协议生成数据包，计算得到的传输速率为R_t，传输速率上界为其中，α∈(0，1)，其值大小由具体的通信网络确定。如果在t时刻，下列条件成立：

那么，判定在t时刻“传输速率超速”事件发生，应立刻对系统状态进行量化编码，并传输数据给控制器。

(2)系统状态量化

控制系统状态需要通过无线数字通信网络传输给控制器。因为控制系统状态是模拟量，所以需要对其进行量化，将其转换为数字量，以便于通过数字信道传输。本实施例提供的系统状态量化的方法与现有的量化策略不同的是：针对控制系统动态方程，对系统状态进行坐标变换，最大程度地消除各个状态变量之间的关联程度，再根据系统矩阵特征值和控制性能指标来设定量化参数，然后对变换后的系统状态变量采用均匀量化法进行量化。

设γ_i为系统矩阵的第i个特征值，T为相邻两次发送数据间隔时间。计算矩阵M使得H＝MTGM，其中，矩阵G为对系统状态进行坐标变换，变换后的系统状态为：

对系统状态变量采用均匀量化法进行量化，对进行量化的量化级数为E_ti，则下列条件成立：

其中，β＞1，其值大小由给定控制系统的控制性能指标确定。

(3)系统状态编码

针对上述方法获得的系统状态量化值，进行编码。本实施例提供的系统状态编码的方法是基于控制系统实时性要求以及其动态变化方程来设计的，消除前后码符号之间的关联，提高解码速度，采用最短的等长码编码策略，减少传输时间延迟。

设编码后的码符号为：

(4)数据包生成和传输速率计算

根据具体的网络通信协议来生成符合传输标准的数据包，数据包中除了含有控制系统状态信息以外，还要根据网络的数据链路层、网络层、传输层和应用层等数据格式的要求，增加一些传输数据，以确保控制系统状态信息能够安全准确地发送给控制器。再根据生成的数据包，转化成可以适合无线通信信道传输的信号，并计算出传输该信号所需的传输速率。

设编码后对应的传输速率为R_ti，则有

系统传输速率一定满足如下的条件：

本实施例提供的基于事件触发的网络化控制系统编码器及其编码方法，适合于网络化控制系统要求，特别是大规模复杂系统，具有实时性，判定量化编码触发时间根据“系统性能变化超界”事件和“传输速率超速”事件来触发量化编码，仅仅当触发事件发生时，才进行量化编码，并发送数据。另外，再通过对系统状态的坐标变换，最大程度地消除状态变量之间的相关程度，然后再进行量化编码，从而实现所需的传输速率最小化，可以大大降低对网络通信带宽的要求，同时能确保达到给定的系统控制性能指标要求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (4)

1.一种基于事件触发的网络化控制系统编码器，其特征在于：包括依次连接的系统状态坐标变换电路、数据采样保持器、模数转换器和数字信号处理器；

所述系统状态坐标变换电路连接控制系统的状态观测器，用于实现对控制系统状态信号的坐标变换；所述数据采样保持器用于对变换后的系统状态进行实时采样；所述模数转换器用于对采样信号进行模拟信号到数字信号的转换；所述数字信号处理器中集成信号处理的软件功能模块，包括数字滤波器模块、事件触发器模块、量化编码模块、数据包生成模块和传输速率计算模块；

数字滤波器模块用于对采样信号进行滤波，减小噪声和干扰信号的影响；

事件触发器模块用于根据滤波后的采样信号判定是否触发量化编码模块，进而进行量化编码和数据传输；所述事件触发器模块的判定依据为“系统性能变化超界”事件或“传输速率超速”事件是否发生；“系统性能变化超界”事件为，对于给定的系统性能指标，系统实际性能偏离程度超过了上界限制；“传输速率超速”事件为，系统实际性能偏离程度没有超过上界限制，但是系统状态值变化太大，超过了所需传输速率的上界限制；

量化编码模块用于在事件触发模块判定触发后，采用能够满足控制系统要求的实时编码策略，对采样信号进行传输速率最小化的量化编码；

数据包生成模块用于在完成信号的量化编码后，根据控制系统传输网络的通信协议生成符合传输标准的数据包；

传输速率计算模块用于根据生成的数据包，转化成适合无线通信信道传输的信号，并计算出传输该信号所需的传输速率。

2.根据权利要求1所述的基于事件触发的网络化控制系统编码器，其特征在于：所述系统状态坐标变换电路采用LM358芯片；所述数据采样保持器采用OPA615芯片；所述模数转换器采用AD80141芯片；所述数字信号处理器采用TMS320C6455芯片；所述数字滤波器模块采用积分梳状滤波器。

3.一种基于事件触发的网络化控制系统编码方法，采用权利要求1所述的基于事件触发的网络化控制系统编码器实现，其特征在于：通过控制系统状态观测器来获取系统状态信号，基于系统矩阵计算变换矩阵，然后设定系统状态坐标变换电路参数，实现对系统状态信号的坐标变换；经过数据采样保持器对变换后的系统状态进行采样，然后通过模数转换器对其进行模拟信号到数字信号的转换；再通过数字滤波器模块对其滤波，减小噪声和干扰信号的影响；进行量化编码触发时间判断，通过事件触发器模块判断“系统性能变化超界”事件或“传输速率超速”事件是否发生，若两事件之一发生，则立即触发量化编码模块，基于控制系统的实时性，进行系统状态量化和系统状态编码，实现最小传输速率的量化编码；完成信号的量化编码后，再根据网络的通信协议生成便于传输的数据包，转化成可以适合无线通信信道传输的信号，并计算所需的数据传输速率，对信号进行无线传输。

4.根据权利要求3所述的基于事件触发的网络化控制系统编码方法，其特征在于：所述系统状态量化的方法为，针对控制系统动态方程，对系统状态进行坐标变换，最大程度地消除各个状态变量之间的关联程度，再根据系统矩阵特征值和控制性能指标来设定量化参数，然后对变换后的系统状态变量采用均匀量化法进行量化，具体为：计算矩阵M使得H＝M^TGM，其中，矩阵H为系统状态矩阵，矩阵G为γ_i为系统矩阵的第i个特征值，T为相邻两次发送数据间隔时间；对系统状态进行坐标变换，变换后的系统状态为：对系统状态变量采用均匀量化法进行量化，对进行量化的量化级数为E_ti，则条件成立，其中，β＞1，其值大小由给定控制系统的控制性能指标确定；

所述系统状态编码的方法为，基于控制系统实时性要求及动态变化方程，消除前后码符号之间的关联，采用最短的等长码编码策略进行编码；设编码后的码符号为其中，