CN110708176B - 一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，涉及一种网络控制方法，本发明给出了基于信号死区传输的网络控制系统的动态输出反馈控制方法，针对信息受限的网络控制系统，使用死区处理器分别限制传感器和控制器以及控制器和执行器之间的网络通道信号传输的数量，针对状态不可测量的情况，设置动态输出反馈控制器，在动态输出反馈的控制下，建立具有信号传输死区的闭环网络系统模型，给出基于线性矩阵不等式的动态输出反馈控制器的设计条件，此条件可以保证网络控制系统的稳定工作，并具备较好的系统性能。在网络控制系统信息受限的情况下，使用死区传输策略减少数据传输数量，降低网络负担，提高系统的性能。

Description

一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法

技术领域

本发明涉及一种网络控制方法，特别是涉及一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法。

背景技术

网络控制系统(NCSs)是计算机网络技术、通信技术与自动控制技术结合的产物。随着工业自动化、通信、计算机、网络等技术的发展，网络控制系统的应用范围在不断地扩大。NCS的应用已经遍布各行各业，包括工业控制、航空航天、电力系统，智能建筑，智能家居，车联网以及物联网等各个领域。

然而，大量数据包在有限的网络带宽内传输，增加了网络拥塞的概率，这可能导致更高的传输延迟和数据丢失。因此，采用死区传输控制策略来减少网络控制系统的传输数据，提高网络的性能。在这些通信网络中，死区处理器分别设置在传感器和控制器以及控制器和执行器之间。死区处理器可以保证只有当前一时刻与当前时刻的信号差值大于给定阈值时，信号才被传输，否则将继续保持前一时刻信号。结果表明，死带控制策略可以有效地减少传输数据量，降低网络拥堵的概率，减轻通信网络的负担。另一方面，在许多工程实践中，网络控制系统的状态信号往往不能直接测量得到,这使得很多状态反馈控制方案在实际工程中难以应用。然而现有研究结果大部分是关于网络控制系统状态反馈控制的，因此研究信号死区传输的网络控制系统的动态输出反馈控制方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，本发明针对信息受限的网络系统,采用死区控制策略，降低数据传输数量，减少网络负担，针对状态信号不可测量的情况，采用动态输出反馈控制来保证系统稳定。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1,根据实际网络环境，在考虑网络诱导时延和变周期采样的情况下，给出系统被控对象模型，网络系统模型以状态方程的形式给出；

步骤2,采取死区传输策略对网络控制系统的传感器和控制器以及控制器与执行器两侧的信号进行控制，给出信号的死区控制策略的具体方法；

步骤3,在步骤1和步骤2的基础上，在考虑系统状态信号不可测量的情况下，设计动态输出反馈控制器，给出动态输出反馈控制器的数学表达式；

步骤4,在动态输出反馈控制策略下，建立具有信号传输死区的网络控制系统的闭环数学模型；

步骤5,基于步骤4中的网络系统的闭环模型，采用李亚普诺夫方法，和线性矩阵不等式技术，给出动态输出反馈控制器的设计方法，闭环网络控制系统稳定的充分条件是以线性矩阵不等式形式给出，从而获得动态输出反馈控制器的设计参数。

所述的一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，所述步骤1，建立网络系统的被控对象的状态方程如下：

其中,x_p(t)∈Rⁿ,u_p(t)∈R^m,y_p(t)∈R^p分别是系统的状态、控制输入及被控输出，A_p，B_p，c_p分别是具有适当维数的常数矩阵。

所述的一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，所述网络系统测量输出信号和控制输入信号在分别送到控制器和执行器之前，采用死区处理器进行设置；死区处理器1表达式为

其中i＝1，2…n，δ_1i|y_pi(s_k+1)|是死区阈值；δ_1i是死区阈值的权重。

所述的一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，所述设定动态输出反馈控制器定义如下：

其中,x_c(t)∈Rⁿ,u_c(t)∈R^p,y_c(t)∈R^m分别是控制器的状态、控制输入及测量输出,A_c，B_c，c_c是控制器的系数矩阵。

所述的一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，所述上述步骤1-3，在考虑死区传输策略和动态输出反馈控制的条件下，获得系统闭环数学模型。

本发明的优点与效果是：

本发明给出了基于信号死区传输的网络控制系统的动态输出反馈控制方法，针对信息受限的网络控制系统，使用死区处理器分别限制传感器和控制器以及控制器和执行器之间的网络通道信号传输的数量，针对状态不可测量的情况，设置动态输出反馈控制器，在动态输出反馈的控制下，建立具有信号传输死区的闭环网络系统模型，给出基于线性矩阵不等式的动态输出反馈控制器的设计条件，此条件可以保证网络控制系统的稳定工作，并具备较好的系统性能。

在网络控制系统信息受限的情况下，使用死区传输策略减少数据传输数量，降低网络负担，提高系统的性能。

在网络控制系统状态信号不可测量的条件下，设计更具一般性的动态输出反馈控制器，在同时考虑网络诱导时延，变周期采样和信号传输死区的情况下，建立网络控制系统的闭环数学模型，给出了基于线性矩阵不等式的动态输出反馈控制器的设计条件，保证系统的稳定工作。

附图说明

图1为本发明的网络控制系统的结构图；

图2为系统的状态相应示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

基于信号传输死区的网络控制系统的动态输出反馈控制方法,具体步骤如下:

步骤1，建立网络系统的被控对象的状态方程如下：

其中,x_p(t)∈Rⁿ,u_p(t)∈R^m,y_p(t)∈R^p分别是系统的状态、控制输入及被控输出，A_p，B_p，c_p分别是具有适当维数的常数矩阵。如附图1所示，整个闭环系统由被控对象，传感器，死区处理器，控制器，执行器等组成。可以看到y_p(t)与u_c(t)之间以及y_c(t)与u_p(t)之间存在两个通讯渠道。同时假设传感器和采样器是时间驱动，控制器，死区处理器和执行器是事件驱动。

步骤2，给出信号传输死区处理器的控制策略。在网络系统中，系统测量输出信号和控制输入信号在分别送到控制器和执行器之前，要采用死区处理器进行设置。如附图1所示，死区处理器1的输入信号设置为y_p，其输出信号为u_c。同时，死区处理器2的输入信号和输出信号分别为u_c和u_p，其中s_k(k＝0，1，2，…)为采样时刻，如附图1所示，,我们可以看到y_p与u_c之间以及y_c与u_p之间存在两个通讯渠道。在采样系统中，如果采样间隔太小，则数据包会迅速增加，从而导致通信量过大。然而，为了保持系统稳定运行且传输较少的采样信号，本发明采取了使用死区控制策略来减少系统中的数据传输。死区控制的实施将保证在系统可接受性能的情况下减少网络数据传输。这里，死区处理器1表达式为

其中i＝1，2…n，δ_1i|y_pi(s_k+1)|是死区阈值。δ_1i是死区阈值的权重。定义Δ₁(s_k+1)＝diag{Δ₁₁(s_k+1),Δ₁₂(s_k+1),L,Δ_1n(s_k+1)},Δ_1i(s_k+1)∈[-δ_1i,δ_1i]，则公式(2)可以用下式来表示

u_c(s_k+1)＝y_p(s_k+1)+Δ₁(s_k+1)y_p(s_k+1) (3)

这里考虑网络信号传输过程产生的诱导时延问题，其中表示信号从采样器到控制器所产生的网络诱导时延，/>表示从控制器到执行器所产生的网络诱导时延。

采样间隔T_k＝s_k+1-s_k是随时间变化的，其下限和上限是已知的：

0＜T_m≤T_k≤T_M,

其中T_m和T_M表示采样间隔的下限和上限的采样间隔。相似地，死区处理器2的输入信号和输出信号为u_pi(s′_k)，y_ci(s′_k+1)。其中，传输死区2描述为

其中j＝1，2…m，δ_2j|y_pj(s_k+1)|是死区阈值。δ_2j是死区阈值的权重。定义Δ₂(s′_k+1)＝diag{Δ₂₁(s′_k+1),Δ₂₂(s′_k+1),L,Δ_2m(s′_k+1)}，Δ_2j(s′_k+1)∈[-δ_2j,δ_2j]，则公式(4)可以表示为

u_p(s′_k+1)＝y_c(s′_k+1)+Δ₂(s′_k+1)y_c(s′_k+1) (5)

于是，考虑网络诱导时延小于一个采样间隔，网络系统的控制输入信号和控制器的输入信号分别为

需要指出的是步骤2中获得的(6)和(7)对于建立闭环系统模型是至关重要的。

步骤3：设定动态输出反馈控制器，动态输出反馈控制器定义如下:

其中,x_c(t)∈Rⁿ,u_c(t)∈R^p,y_c(t)∈R^m分别是控制器的状态、控制输入及测量输出,A_c，B_c，c_c是控制器的系数矩阵。

步骤4：基于步骤1-3，在考虑死区传输策略和动态输出反馈控制的条件下，获得系统闭环数学模型。对于被控对象(1)和动态输出反馈控制器(8)，分别将(6)，(7)式带入(1)和(8)式后，获得具有信号传输死区的闭环网络控制系统的数学模型

其中，x(t)＝[x_p ^T(t) x_c ^T(t)]^T，

其中τ₁(t)＝t-s_k，τ₂(t)＝t-s′_k，这里/>定义/>和李亚普诺夫函数/>采用线性不等式技术，给出动态输出反馈控制器设计条件。定理如下：

定理1：对于给定的标量ε₁＞0,ε₂＞0,δ₁＞0,δ₂＞0，如果存在正定矩阵X，U₁₁,U₁₂,U₂₁,U₂₂，和适当维数矩阵E_i1,,E_i2,H_i1,H_i2(i＝1,2,...,6)，满足下面的矩阵不等式

其中

则闭环网络系统是稳定的，且动态输出反馈控制器的控制参数为A_C＝Y₂X₂ ^-1,B_C＝Y₁,C_C＝Y₃。

本发明采用的仿真例子如下，采用的网络系统被控对象为：

假设网络的诱导延时参数采取的死区参数为δ₁＝0.1,δ₂＝0.05，标量ε₁＝0.1,ε₂＝0.1系统的初始状态为x₀＝[2,-1]，在Matlab中LMI工具箱中，求解定理1中的线性矩阵不等式(10)，获得动态输出反馈控制器参数为/>B_C＝[-0.59880.0315],C_C＝10⁴*[-4.4721 -4.4721]，系统的在动态输出反馈控制下的状态响应过程见附图2所示。从图2可以看出网络系统在本发明所设计的动态输出反馈控制器的作用下是可以达到稳定的，仿真表明本发明所给方法的有效性。

Claims (1)

1.一种信号传输死区网络系统动态输出反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1,根据实际网络环境，在考虑网络诱导时延和变周期采样的情况下，给出系统被控对象模型，网络系统模型以状态方程的形式给出；

步骤2,采取死区传输策略对网络系统的传感器和控制器以及控制器与执行器两侧的信号进行控制，给出信号的死区控制策略的具体方法；

步骤3,在步骤1和步骤2的基础上，在考虑系统状态信号不可测量的情况下，设计动态输出反馈控制器，给出动态输出反馈控制器的数学表达式；

步骤4,在动态输出反馈控制策略下，建立具有信号传输死区的网络系统的闭环数学模型；

步骤5,基于步骤4中的网络系统的闭环模型，采用李亚普诺夫方法，和线性矩阵不等式技术，给出动态输出反馈控制器的设计方法，闭环网络系统稳定的充分条件是以线性矩阵不等式形式给出，从而获得动态输出反馈控制器的设计参数；

所述步骤1，建立网络系统的被控对象的状态方程如下：

其中,x_p(t)∈Rⁿ,u_p(t)∈R^m,y_p(t)∈R^p分别是系统的状态、控制输入及被控输出，A_p，B_p，c_p分别是具有适当维数的常数矩阵；

所述网络系统测量输出信号和控制输入信号在分别送到控制器和执行器之前，采用死区处理器进行设置；死区处理器1表达式为

其中i＝1，2…n，δ_1i|y_pi(s_k+1)|是死区阈值；δ_1i是死区阈值的权重；

所述动态输出反馈控制器定义如下：

其中,x_c(t)∈Rⁿ,u_c(t)∈R^p,y_c(t)∈R^m分别是控制器的状态、控制输入及测量输出,A_c，B_c，c_c是控制器的系数矩阵；

所述上述步骤1-3，在考虑死区传输策略和动态输出反馈控制的条件下，获得系统闭环数学模型。