CN113206673B - 用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法及终端 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法及终端，所述方法包括步骤：对待处理信号进行采样，获取目标时刻的信号值；获取所述目标时刻所对应的差分信号；通过缩放参数对所述目标时刻所对应的差分信号进行缩放处理，得到差分缩放信号；将所述差分缩放信号传输至对数量化器，获得量化结果。通过优化需要量化的信号本身的方法来提升量化效果，而不是改变量化器的结构或参数。相比于传统的方法，本发明能够更实际且有效的减小量化误差、消除量化效应对系统的负面影响，且不需要修改量化器本身，应用范围更加广泛，适应性更强。

Description

用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法及终端

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法及终端。

背景技术

在网络控制系统中，由于通信网络带宽的限制，信号在通过网络传输之前必须要进行量化处理。量化过程可以看作一个的分级过程。其本质是将采样得到的信号进行幅度离散，根据振幅的大小按照标准量化级进行取值，这样一组脉冲序列就被转换成了数字序列。显而易见地，根据量化级将采样信号进行取值的过程会产生量化误差。量化误差会影响系统的稳定性，并降低信号接收端处功能器件的性能。传统的量化器可以分为均匀量化器和非均匀量化器两类。非均匀量化器在网络带宽占用和量化结果精确度方面均优于均匀量化器。其中对数量化器被认为是满足线性时不变系统二次稳定性要求的最粗糙的量化器。

但无论是均匀量化还是非均匀量化都无法避免一些量化效应。其中一种称为量化饱和：如果信号超出量化器的量化范围，此时量化误差会变得非常大且无法控制。在这种情况下，系统的稳定性会遭受到严重的破坏，其他功能器件如控制器、滤波器等的性能会受到严重影响。此外，由于网络带宽的限制，量化级数是有限的。因此在以原点o为中心点的一个邻域并不在量化器的量化范围内。这个区域称为量化器的死区。死区的存在同样会严重影响量化效果。当信号值落入死区时，量化误差无法得到控制，会严重影响控制系统的稳定性和控制器、滤波器等功能部件的性能。

在网络化系统中，由于网络带宽的约束，量化误差和一些量化效应是无法避免的。但减小量化误差并消除量化效应的一些负面影响能够极大的提升系统的稳定性和各功能部件的性能。传统的量化过程中，一般通过改变量化器的量化密度来改善量化结果，具体做法是增加量化器的量化级数。量化级数越多，量化密度越大，量化误差越小，量化效果就越好。但量化级越多意味着网络带宽占用越多，这对网络化传输的稳定性和效率是不利的。且在网络带宽限制的条件下，这种方法往往难以实现。

有鉴于此，需要提出一种新的技术方案来解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法及终端，通过优化需要量化的信号本身的方法来提升量化效果，而不是改变量化器的结构或参数。相比于传统的方法，本发明能够更实际且有效的减小量化误差、消除量化效应对系统的负面影响，且不需要修改量化器本身，应用范围更加广泛，适应性更强。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法，包括步骤：

对待处理信号进行采样，获取目标时刻的信号值；

获取所述目标时刻所对应的差分信号；

通过缩放参数对所述目标时刻所对应的差分信号进行缩放处理，得到差分缩放信号；

将所述差分缩放信号传输至对数量化器，获得量化结果。

一种实现方式中，所述方法还包括：

经由公共通信网络传输所述量化结果。

一种实现方式中，所述获取所述目标时刻所对应的差分信号的步骤，包括：

将所述目标时刻的信号值与目标时刻的前一时刻所对应的信号量化值的差值作为所述目标时刻所对应的差分信号值。

一种实现方式中，所述缩放参数由上一时刻的差分缩放信号相对于对数量化器有效量化范围的位置确定的步骤，包括：

所述缩放参数由上一时刻的差分缩放信号相对于对数量化器有效量化范围的位置确定。

此外，本发明还公开了一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放终端，所述用于网络化控制系统信号量化的差分缩放终端包括处理器、以及通过通信总线与处理器连接的存储器；其中，

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行计算机程序时，以实现如权利要求任一项所述的用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法。

相比于现有技术，本发明带来以下技术效果：

本发明的用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法及终端，在不占用更多的网络带宽的情况下，提出了一种差分缩放的量化策略。通过优化需要量化的信号本身的方法来提升量化效果，而不是改变量化器的结构或参数。相比于传统的方法，本发明能够更实际且有效的减小量化误差、消除量化效应对系统的负面影响，且不需要修改量化器本身，应用范围更加广泛，适应性更强。此外，本方法通过传输更少的信息量，有效的减轻了网络通信信道的负担，降低了其他网络问题发生的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法的流程图；

图2为网络化控制系统结构图；

图3为对数量化器的量化级分布。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例

本实施例揭示了一种基于深层地下通道的地下集装箱物流装卸模式，通过优化需要量化的信号本身的方法来提升量化效果，而不是改变量化器的结构或参数。相比于传统的方法，本发明能够更实际且有效的减小量化误差、消除量化效应对系统的负面影响，且不需要修改量化器本身，应用范围更加广泛，适应性更强。

本设计在对数量化器的基础上，提出了一种差分缩放策略用于处理信号。这种策略不需要改变量化器的量化密度，也不需要占用更多的网络带宽。通过对原信号进行有效地处理来减小量化误差，消除量化饱和问题和死区现象对量化过程的负面影响。首先对采样后的信号进行差分处理。差分过程传输的是当前时刻采样信号与上一采样时刻的量化信号之间的差值，而不是当前时刻的采样信号。经过差分过程的信号相比于原信号更小更稳定，能够更加符合对数量化器的量化范围。在这之后，差分信号进入缩放过程。根据一个缩放参数将其数值调整到理想的量化区间。当差分信号不在量化器的有效量化范围内时，缩放参数会调整差分信号的大小，得到的差分缩放信号会更加符合量化器的有效量化范围。缩放过程能够消除量化效应的负面影响，有效的减小量化误差。最后由对数量化器对差分缩放信号进行分级量化取值。与此同时，下一时刻的缩放参数被确定。如果当前时刻的差分缩放信号在量化器的有效量化范围内，则下一时刻的缩放参数保持不变；如果当前时刻的差分缩放信号不在量化器的有效量化范围内，则下一时刻将相应地调整缩放参数。最后，经过对数量化器量化后的差分缩放信号由网络传输到远端的解码器，解码后传输到远端的各功能部件。

请参阅图1-3，用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法，包括：

S101，对待处理信号进行采样，获取目标时刻的信号值；

S102，获取所述目标时刻所对应的差分信号；

S103，通过缩放参数对所述目标时刻所对应的差分信号进行缩放处理，得到差分缩放信号；

S104，将所述差分缩放信号传输至对数量化器，获得量化结果。

为了证明该发明应用的广泛性，考虑一类最基本的非线性离散时间系统：

x_k+1＝A_kx_k+F_ku_k+B_kw_k (1)

y_k＝C_kx_k+D_kv_k (2)

其中，代表k时刻系统状态矩阵；/>代表已知的输入矩阵；/>表示k时刻系统的测量输出矩阵；A_k、F_k、B_k、C_k和D_k是具有相应维度的已知时变系数矩阵；表示系统中的过程噪声矩阵；/>表示系统的测量噪声矩阵。图2中给出了网络化控制系统的结构图。

传统的量化过程是将系统测量输出信号y_k进行采样，然后由量化器进行分级取值，最后封装成数据包，通过无线通信网络远程发送到其他功能部件。在本发明中，信号的量化过程不同，输出信号y_k经采样后被进一步处理。首先经过差分过程。差分过程的基本思想是传输当前时刻输出信号值与上一时刻的量化输出信号值之间的差值而不是当前时刻的输出信号值。差分信号相比于原信号更加稳定，波动幅度更小且更加符合对数量化器的量化范围。此外，这种差分方法能够通过传输更少的数据量减小通信网络的负担和发生各种网络问题的风险。假设在初始采样时刻则差分信号ξ_k可以被表示为：

其中表示k时刻系统过的测量输出矩阵，/>表示k-1时刻的信号量化结果。当信号完成了差分过程后，进入缩放过程。缩放过程的核心思想是当差分信号小于对数量化器的量化范围时，通过缩放参数将其放大，避免信号落入量化器的死区造成量化误差失控和系统性能及稳定性下降等负面影响；当差分信号大于对数量化器的量化范围时，通过缩放参数将其缩小，避免发生量化饱和现象使量化误差变大，系统稳定性被破坏。差分缩放信号ζ_k可以被表示为：

其中，f_k表示缩放参数，f_k＞0。

经过差分过程和缩放过程的信号被传输至对数量化器进行分级取值。其中对数量化器的量化级如下所示：

U＝{±u_i：u_i＝ρⁱu₀，i＝1，2，…，N-1}∪{±u₀}∪{0}，0＜ρ＜1，u₀＞0 (5)

对数量化器的量化密度可以表示为很明显，ρ与量化密度成正比，所以可以用ρ的值来表示量化器的量化密度。u_i,i＝0,1,…N-1表示量化器的量化级，u₀表示对数量化器最大的量化级，当信号值落入范围/>时，则该时刻信号值的量化结果为u₀，其中/>u_N-1表示对数量化器最接近原点的量化级。同理，当信号值落入范围时，则该时刻信号值的量化结果为u_N-1。除去最小的量化级u_N-1以外，其余量化级u_i的有效量化范围均为/>关于对数量化器的量化级如图3所示。通过对数量化器的量化级数分布，可以很清楚的了解信号的分级取值过程。综上所述，对数量化器可以被定义为：

其中，θ表示被量化的信号。区间被称为量化器的死区。当信号值落入量化器的死区内时，量化误差无法得到有效控制，量化结果的精确度降低，严重甚至会影响系统的二次稳定。此外，当信号超过量化器的量化范围时，即/>出现量化饱和问题，量化误差变得非常大且无法控制。在信号经过对数量化器分级取值的同时，k+1时刻，也就是下一时刻的缩放参数f_k+1会根据k时刻的量化情况做出相应调整。如果当前时刻差分缩放信号满足量化器的量化范围，则下一时刻的缩放参数不变；如果当前时刻差分缩放信号落入量化器的死区，则下一时刻的缩放参数对差分缩放信号进行放大，使其满足量化器的量化范围；如果当前时刻的差分缩放信号超过了量化器的量化范围使量化饱和问题发生，则下一时刻的缩放参数将对差分缩放信号进行缩小。具体的变换规则如下：

其中，λ₁和λ₂分别是缩小参数和放大参数，1＜λ₁，0＜λ₂＜1。

经过量化器分级取值之后，量化信号q(ζ_k)由网络传输到远端的滤波器和控制器等功能部件。在远端接收之前，需要经过解码器进行解码。解码过程可以被表示为：

根据以上的描述，在k时刻的最终量化结果为：

其中表示k-1时刻的信号量化结果，f_k表示缩放参数，/>表示k时刻系统过的测量输出矩阵，/>表示差分缩放信号的量化结果。此外，本发明还公开了一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放终端，所述用于网络化控制系统信号量化的差分缩放终端包括处理器、以及通过通信总线与处理器连接的存储器；其中，

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行计算机程序时，以实现任一项所述的用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法。

传统量化过程中，一般通过改变量化器本身的量化密度，即增加量化级数来减小量化误差，消除量化效应，提高量化结果的精确度。这种占用更多网络带宽的做法在实际的网络系统中往往难以实现。本发明在不占用更多的网络带宽的情况下，提出了一种差分缩放的量化策略。通过优化需要量化的信号本身的方法来提升量化效果，而不是改变量化器的结构或参数。相比于传统的方法，本发明能够更实际且有效的减小量化误差、消除量化效应对系统的负面影响，且不需要修改量化器本身，应用范围更加广泛，适应性更强。此外，本方法通过传输更少的信息量，有效的减轻了网络通信信道的负担，降低了其他网络问题发生的风险。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法，其特征在于，包括步骤：

对待处理信号进行采样，获取目标时刻的信号值；

获取所述目标时刻所对应的差分信号；

通过缩放参数对所述目标时刻所对应的差分信号进行缩放处理，得到差分缩放信号；

将所述差分缩放信号传输至对数量化器，获得量化结果；

所述获取所述目标时刻所对应的差分信号的步骤，包括：

将所述目标时刻的信号值与目标时刻的前一时刻所对应的信号量化值的差值作为所述目标时刻所对应的差分信号值；

缩放参数由上一时刻的差分缩放信号相对于对数量化器有效量化范围的位置确定的步骤，包括：

所述缩放参数由上一时刻的差分缩放信号相对于对数量化器有效量化范围的位置确定。

2.根据权利要求1所述的用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法，其特征在于，所述方法还包括：

经由公共通信网络传输所述量化结果。

3.一种用于网络化控制系统信号量化的差分缩放终端，其特征在于，所述用于网络化控制系统信号量化的差分缩放终端包括处理器、以及通过通信总线与处理器连接的存储器；其中，

所述存储器，用于存储计算机程序；

所述处理器，用于执行计算机程序时，以实现如权利要求1至2中任一项所述的用于网络化控制系统信号量化的差分缩放方法。