CN112702280A - 一种网络数据延迟控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及网络数据技术领域，尤其为一种网络数据延迟控制方法，包括控制端和被控对象端，其特征在于：控制端和被控对象端通过网络进行连接，控制端采用事件驱动，包括预测控制器，被控对象端采用时钟驱动，包括网络时延补偿器、被控对象和缓冲器，当控制器端收到反馈通道回传过来的数据时，事件被触发，控制器生成相应的预测序列；如果没有收到任何反馈数据，则控制器端处于闲置状态；本发明运用预测控制算法，采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，通过优化控制序列来改善系统在拥堵环境下的控制效果，最后利用MATLAB对网络预测控制进行仿真验证，结果表明此预测控制算法能够极大改善网络时延下的控制输出效果。

Description

一种网络数据延迟控制方法
技术领域
本发明专利涉及网络数据技术领域，具体为一种网络数据延迟控制方法。
背景技术
随着计算机网络通信和智能传感技术的飞速发展，自动化技术发生了革命性的变化。计算机控制系统从集中式控制过渡到集散控制以及现场总线控制，直到今天的基于网络的分布式控制。这种分布式工作方式彻底地改变了传统控制系统中反馈的应用，网络控制系统（NCS）应运而生。进入二十一世纪，工业控制技术与计算机通信网络技术的进一步结合催生了现场总线系统[1]。这使得封闭的专用协议变成开放的标准协议，因设备节点中包含了数字处理器，而具有较强的数字计算和通信能力，可实现真正意义上的分布式控制。
与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统具有连线少、结构灵活、通信协议开放等诸多优点。但通信网络介入使得网络控制系统的分析和设计变得更为复杂，不可靠的网络传输方式导致许多的不确定性，主要问题有：网络诱导延时、数据丢包、单包传输与多包传输、数据包时序错乱、噪声干扰等，为此提出一种网络数据延迟控制方法，来解决此问题。
发明专利内容
本发明专利的目的在于提供一种网络数据延迟控制方法，解决了网络诱导延时、数据丢包、单包传输与多包传输、数据包时序错乱、噪声干扰等的问题。
为实现上述目的，本发明专利提供如下技术方案：一种网络数据延迟控制方法，包括控制端和被控对象端，控制端和被控对象端通过网络进行连接，控制端采用事件驱动，包括预测控制器，被控对象端采用时钟驱动，包括网络时延补偿器、被控对象和缓冲器，当控制器端收到反馈通道回传过来的数据时，事件被触发，控制器生成相应的预测序列；如果没有收到任何反馈数据，则控制器端处于闲置状态，被控对象端以系统时钟作为驱动，以控制序列作为数据源并从中选取相应的控制信号来对具体设备进行控制，这些来自于预测控制算法的控制序列可以实现对网络时延的补偿，下列为实现的步骤：
步骤1：不考虑网络，设计本地PI控制器，满足系统性能需求；
步骤2：根据已发出的控制信号、输出信号以及参考输入值，建立起预测控制序列生成器，通过计算生成预测输出控制信号；
步骤3：引入网络环节，预测生成器在产生完整的数据序列后，将输出序列打包并传送到被控对象端的网络时延补偿器；
步骤4：网络时延补偿器作为数据选择器，从控制序列中选择出符合当前时刻值的控制值作为执行器输入信号。
优选的，假设t时刻的输入和输出分别是u（t）和y（t），则输入输出满足的线性差分等式为：y（t）+a1y（t-1）+…+any（t-n）=b1u（t-1）+…+bm u（t-m） （1）。
优选的，因为观测数据常常是通过采样获得的，通过上面的表示方法可以很直接地将离散时间系统模型的相关观测数据关联起来，为了描述方便，在式（1）中，可以假设采样时间间隔为一个时间单位，进行简单变换，就可以变成一个能够根据已经给定的以前的观测结果来得到之后的输出公式：
y（t）=-a1y（t-1）-…-any（t-n）+b1u（t-1）+…+bm u（t-m）。
优选的，预测控制器中引入网络节点，带控制相关序列的预测控制相应的数据流通，控制端主要由预测控制器组成，预测控制器负责接收来自控制器端反馈通道并通过递归公式计算生成下一控制周期相应的控制序列，然后通过网络回传到设备端，设备端通过选择器承接控制序列数据，然后选择出控制数据，直接作为设备的输入控制量，设备端完成对设备的控制后，再将设备端相应的数据打包通过反馈通道回传到网络的另一端的控制器，再进行下一控制周期，依次循环。
优选的，当控制周期从设备端开始，每个采样周期开始的时候，设备端将已经发生的控制序列u（t）和输出序列y（t）以及当前的设备端系统时刻点t存储在一个数据包中，并通过反馈通道发送到控制器端。
优选的，控制器端采用事件驱动方式，当接收到来自设备端反馈通道的数据包时，控制器计算出未来的预测序列，并将其和之前收到的设备系统时间t一起打包发送到设备端。
优选的，数据选择器：在大多数通信网络如TCP/IP网络中，数据是以包的形式传输，网络化控制系统中的网络数据发送端可以用同一个包传输一组序列预测信号，接收端根据当时的网络状况选择一个合适的信号值，主动补偿掉网络传输带来的延时和丢包等不利因素。
优选的，接收数据包异常情况的处理方法如下：
包延时，有数据包到达接收端，而且此数据包所带时间标记在所有历史数据中最新，启用此数据包；
包乱序，当一个数据包达到数据选择器时，数据选择器先将所收到数据包中的时间标记与内存当前数据包的时间标记做比较，发生包乱序时，直接舍弃；
包堆积，当接收到多个数据包，数据选择器选出具有最大时间标记的数据包，并将此数据包跟内存中的数据包的时间标记进行比较，以决定其启用或舍弃；
包丢失，当前时间点没有收到新数据，或者收到新数据但新数据因时间标记过时都可导致包丢失，包丢失的情况下，数据选择器启用历史数据包。
优选的，经过初步数据选择，不管是当前接收的还是历史接收的，每个时间节点都会一个供“第二次选择”的数据包。
与现有技术相比，本发明专利的有益效果如下：
本发明专利运用预测控制算法，采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，通过优化控制序列来改善系统在拥堵环境下的控制效果，最后利用MATLAB对网络预测控制进行仿真验证，结果表明此预测控制算法能够极大改善网络时延下的控制输出效果。
附图说明
图1为本发明专利网络化预测控制结构；
图2为本发明专利网络预测控制数据流通图。
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
请参阅图1-2，一种网络数据延迟控制方法，包括控制端和被控对象端，控制端和被控对象端通过网络进行连接，控制端采用事件驱动，包括预测控制器，被控对象端采用时钟驱动，包括网络时延补偿器、被控对象和缓冲器，当控制器端收到反馈通道回传过来的数据时，事件被触发，控制器生成相应的预测序列；如果没有收到任何反馈数据，则控制器端处于闲置状态，被控对象端以系统时钟作为驱动，以控制序列作为数据源并从中选取相应的控制信号来对具体设备进行控制，这些来自于预测控制算法的控制序列可以实现对网络时延的补偿，下列为实现的步骤：
步骤1：不考虑网络，设计本地PI控制器，满足系统性能需求；
步骤2：根据已发出的控制信号、输出信号以及参考输入值，建立起预测控制序列生成器，通过计算生成预测输出控制信号；
步骤3：引入网络环节，预测生成器在产生完整的数据序列后，将输出序列打包并传送到被控对象端的网络时延补偿器；
步骤4：网络时延补偿器作为数据选择器，从控制序列中选择出符合当前时刻值的控制值作为执行器输入信号。
本实施例中，假设t时刻的输入和输出分别是u（t）和y（t），则输入输出满足的线性差分等式为：y（t）+a1y（t-1）+…+any（t-n）=b1u（t-1）+…+bm u（t-m） （1）。
本实施例中，因为观测数据常常是通过采样获得的，通过上面的表示方法可以很直接地将离散时间系统模型的相关观测数据关联起来，为了描述方便，在式（1）中，可以假设采样时间间隔为一个时间单位，进行简单变换，就可以变成一个能够根据已经给定的以前的观测结果来得到之后的输出公式：
y（t）=-a1y（t-1）-…-any（t-n）+b1u（t-1）+…+bm u（t-m）。
本实施例中，预测控制器中引入网络节点，带控制相关序列的预测控制相应的数据流通，控制端主要由预测控制器组成，预测控制器负责接收来自控制器端反馈通道并通过递归公式计算生成下一控制周期相应的控制序列，然后通过网络回传到设备端，设备端通过选择器承接控制序列数据，然后选择出控制数据，直接作为设备的输入控制量，设备端完成对设备的控制后，再将设备端相应的数据打包通过反馈通道回传到网络的另一端的控制器，再进行下一控制周期，依次循环。
本实施例中，当控制周期从设备端开始，每个采样周期开始的时候，设备端将已经发生的控制序列u（t）和输出序列y（t）以及当前的设备端系统时刻点t存储在一个数据包中，并通过反馈通道发送到控制器端，设备端发送的数据包结构如下。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
本实施例中，控制器端采用事件驱动方式，当接收到来自设备端反馈通道的数据包时，控制器计算出未来的预测序列，并将其和之前收到的设备系统时间t一起打包成下述结构发送到设备端。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
本实施例中，数据选择器：在大多数通信网络如TCP/IP网络中，数据是以包的形式传输，网络化控制系统中的网络数据发送端可以用同一个包传输一组序列预测信号，接收端根据当时的网络状况选择一个合适的信号值，主动补偿掉网络传输带来的延时和丢包等不利因素。
本实施例中，接收数据包异常情况的处理方法如下：
包延时，有数据包到达接收端，而且此数据包所带时间标记在所有历史数据中最新，启用此数据包；
包乱序，当一个数据包达到数据选择器时，数据选择器先将所收到数据包中的时间标记与内存当前数据包的时间标记做比较，发生包乱序时，直接舍弃；
包堆积，当接收到多个数据包，数据选择器选出具有最大时间标记的数据包，并将此数据包跟内存中的数据包的时间标记进行比较，以决定其启用或舍弃；
包丢失，当前时间点没有收到新数据，或者收到新数据但新数据因时间标记过时都可导致包丢失，包丢失的情况下，数据选择器启用历史数据包。
本实施例中，经过初步数据选择，不管是当前接收的还是历史接收的，每个时间节点都会一个供“第二次选择”的数据包。
为了对上述的方法原理进行验证，下面通过具体的设备模型对算法进行数字实验，对上述数学原理进行仿真测试。
对于本地控制系统，设采样周期为0.1 s，然后对相关环节进行数字化约定，r（t）单位阶跃输入：1（t）=1，t≥0
Figure DEST_PATH_IMAGE005
在本地无延时的本地控制回路中增加一定的固定延时；
在本地无延时的本地控制回路中增加一定的固定延时，控制闭环控制系统单位阶跃输入在不同的固定延时情况下的输出信号，设备的输出值能够很快地达到参考输入值，在本地控制系统中加入了2个和4个采样周期倍数的延时后，系统输出曲线产生振荡，而且固定延时越高，系统的振荡越剧烈，最后甚至会达到发散不稳定的结果；
向本地控制中加入固定延时和随机延时环节的网络延时环境，便构造成了网络控制系统，设备模型与PI控制器模型变成差分结构：
y（t）=1.396y（t-Ts）-0.468 1y（t-2Ts）+0.466 2u（t-Ts）
-0.284 3u（t-2Ts）
u（t）=u（t-Ts）+0.33e（t）-0.23e（t-Ts）
其中e（t）=r（t）-y（t）
不难看出，差分式已经具备由过去序列推测未来序列的能力了，由于系统的数学模型阶次不超过二阶，一般只需要通过过去的两组y、u值就可以得到当前时刻的y值和u值，两组差分递推算法是实现预测控制器的核心所在，已经发生的u、y序列和当前时刻值从反馈通道经过一定的网络延时传递到控制器端作为预测控制器输入，控制器将时间标记及通过两个递推式得到一组u的未来预测序列再通过网络传送到控制器端的数据选择器；
数据选择器接收到从控制器端发送过来数据包，和此时的时刻值进行对比，从u序列中选择出和时刻点对应的控制值，可以达到对网络延时问题的有效补偿，只要设备和控制器的模型足够准确，则在经过网络预测控制器的有效补偿后，网络系统的控制可以达到和本地无延时控制完全一样的效果。
尽管已经示出和描述了本发明专利的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明专利的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明专利的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种网络数据延迟控制方法，包括控制端和被控对象端，其特征在于：控制端和被控对象端通过网络进行连接，控制端采用事件驱动，包括预测控制器，被控对象端采用时钟驱动，包括网络时延补偿器、被控对象和缓冲器，当控制器端收到反馈通道回传过来的数据时，事件被触发，控制器生成相应的预测序列；如果没有收到任何反馈数据，则控制器端处于闲置状态，被控对象端以系统时钟作为驱动，以控制序列作为数据源并从中选取相应的控制信号来对具体设备进行控制，这些来自于预测控制算法的控制序列可以实现对网络时延的补偿，下列为实现的步骤：
步骤1：不考虑网络，设计本地PI控制器，满足系统性能需求；
步骤2：根据已发出的控制信号、输出信号以及参考输入值，建立起预测控制序列生成器，通过计算生成预测输出控制信号；
步骤3：引入网络环节，预测生成器在产生完整的数据序列后，将输出序列打包并传送到被控对象端的网络时延补偿器；
步骤4：网络时延补偿器作为数据选择器，从控制序列中选择出符合当前时刻值的控制值作为执行器输入信号。
2.根据权利要求1所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：假设t时刻的输入和输出分别是u（t）和y（t），则输入输出满足的线性差分等式为：y（t）+a1y（t-1）+…+any（t-n）=b1u（t-1）+…+bm u（t-m） （1）。
3.根据权利要求2所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：因为观测数据常常是通过采样获得的，通过上面的表示方法可以很直接地将离散时间系统模型的相关观测数据关联起来，为了描述方便，在式（1）中，可以假设采样时间间隔为一个时间单位，进行简单变换，就可以变成一个能够根据已经给定的以前的观测结果来得到之后的输出公式：
y（t）=-a1y（t-1）-…-any（t-n）+b1u（t-1）+…+bm u（t-m）。
4.根据权利要求3所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：预测控制器中引入网络节点，带控制相关序列的预测控制相应的数据流通，控制端主要由预测控制器组成，预测控制器负责接收来自控制器端反馈通道并通过递归公式计算生成下一控制周期相应的控制序列，然后通过网络回传到设备端，设备端通过选择器承接控制序列数据，然后选择出控制数据，直接作为设备的输入控制量，设备端完成对设备的控制后，再将设备端相应的数据打包通过反馈通道回传到网络的另一端的控制器，再进行下一控制周期，依次循环。
5.根据权利要求4所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：当控制周期从设备端开始，每个采样周期开始的时候，设备端将已经发生的控制序列u（t）和输出序列y（t）以及当前的设备端系统时刻点t存储在一个数据包中，并通过反馈通道发送到控制器端。
6.根据权利要求5所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：控制器端采用事件驱动方式，当接收到来自设备端反馈通道的数据包时，控制器计算出未来的预测序列，并将其和之前收到的设备系统时间t一起打包发送到设备端。
7.根据权利要求6所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：数据选择器：在大多数通信网络如TCP/IP网络中，数据是以包的形式传输，网络化控制系统中的网络数据发送端可以用同一个包传输一组序列预测信号，接收端根据当时的网络状况选择一个合适的信号值，主动补偿掉网络传输带来的延时和丢包等不利因素。
8.根据权利要求7所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：接收数据包异常情况的处理方法如下：
包延时，有数据包到达接收端，而且此数据包所带时间标记在所有历史数据中最新，启用此数据包；
包乱序，当一个数据包达到数据选择器时，数据选择器先将所收到数据包中的时间标记与内存当前数据包的时间标记做比较，发生包乱序时，直接舍弃；
包堆积，当接收到多个数据包，数据选择器选出具有最大时间标记的数据包，并将此数据包跟内存中的数据包的时间标记进行比较，以决定其启用或舍弃；
包丢失，当前时间点没有收到新数据，或者收到新数据但新数据因时间标记过时都可导致包丢失，包丢失的情况下，数据选择器启用历史数据包。
9.根据权利要求8所述的一种网络数据延迟控制方法，其特征在于：经过初步数据选择，不管是当前接收的还是历史接收的，每个时间节点都会一个供“第二次选择”的数据包。
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