2022年网络控制系统建模与控制 .pdf

网络控制系统建模与控制吴 晨1, 许 哲1, 何 婧2, 许化龙1(1.第二炮兵工程学院,西安 710025;2.中国人民解放军96411部队,陕西宝鸡 721013 )摘 要:数据总线传输方案能够有效克服传统通信的弊端,但由于信息传输分时复用通信总线,系统时延不可避免。时延不但会降低网络控制系统的控制性能,而且还是引起系统不稳定的潜在因素。从网络时延这一问题出发,对网络控制系统的建模方法进行了分析研究,并基于此提出利用模糊控制来补偿系统时延影响。该方法通过模糊控制调节PID控制器输出,从而改善系统性能。最后通过仿真实例验证了上述方法的有效性。关键词:网络控制系统;总线;时延;模糊控制中图分类号:V271. 4;TP13文献标志码:A文章编号:1671 - 637X (2009) 09 - 0037 - 03M odeling and Con trol of the Networked Con trol Syste m sWU Chen1, XU Zhe1, HE Jing2, XU Hualong1( 1. The Second A rtilleryEngineering College, Xian 710025, China;2 . No. 96411 Unitof P LA, Baoji721013, China )Abstract:The bus trans mit sche me can efficiently simplify the syste m structure, overcome the shortco mingsof traditional communication, and increasethe reliability. However, the time2sharingmultiplex communica2tion bus used ininformationtrans mission willinevitablyintroduce delays, whichcan degrade theperformance of control syste ms and evendestabilize the syste m. Basedon the analysisof modeling methods,fuzzycontroller was used to compensatefor the influenceof delay .The PI D control signalwas modulated byfuzzycontrol to improve the syste m performance .The simulation results show the validity of themethod .Key words:networked control syste ms; bus;time delay; fuzzycontrol0 引言新世纪之初,计算机技术、网络通信技术、 嵌入式操作系统和控制理论都已经得到空前的发展和突破。这些领域的理论和技术应用也极大地影响了其他领域的发 展,网 络控 制系 统( Networked Control Systems,NCS) 1 - 2 则是以上技术在控制系统中融合的最典型产物。近年来,随着现场总线控制技术、 工业以太网技术的成熟应用和性能造价比的不断提高, NCS以其资源共享、 系统分布控制 、 硬件连线较少、造价低、维护方便等优势,迅速应用于电力、 机器人、航空航天等各种系统和远程控制领域3 。同时在NCS中,由于总线网络的引入也带来了许多新的问题,如信息的传输时延 、数据包丢失等等,这就为网络控制系统的分析和设计带来了新的机遇和挑战 4 - 5 。本文主要从网络时延这一问题出发,首先对网络控制系统的建模方法进行了收稿日期: 2008 - 09 - 22修回日期: 2008 - 10 - 21作者简介:吴 晨(1981) ,男,安徽黄山人,博士生,研究方向为总线网络化控制。E - mail: chinap laxz163. com分析研究,并基于此引入模糊控制算法对网络控制系统进行控制器设计,补偿系统时延影响。最后通过一个仿真算例验证了方法的有效性。1 系统模型描述1 . 1NCS建模假设NCS中的被控对象为线性时不变系统,连续状态方程表示如下:dx( t)dt=A x( t)+B u( t)y ( t)=Cx ( t)+D u ( t)(1)式中:状态量x( t)Rn;控制输入u ( t)Rm;系统输出y( t)Rr; A、B、C、D为适当维数矩阵。实际上网络控制系统中普遍使用数字计算机,所以用离散时间系统的方法来分析NCS是比较合理的 。取系统时延为 k,对系统进行离散化可得:x( kh+h)=( h) x( kh)+0( h,k) u ( kh)+1( h,k) u( kh-h)y( kh)=Cx( kh )+D u ( kh)(2)式中:( h)=eA h,0( h,k)=h-k0eAsds B ,1( h,k)=第16卷 第9期2009年9月电 光 与 控 制Electronics Op tics & ControlVol. 16No. 9Sep.2009名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - eA(h-k)k0eA sdsB。通常 k并不是恒定的,主要取决于系统中网络负载、 介质访问控制协议以及系统硬件等6。但是,利用式(2)对NCS进行描述时,必须在控制器节点计算时得到时延 k。在传感器节点向控制器节点传递数据时,存在时延 sc,通过加入时戳,就可以得到时延sc的大小 。而控制器节点与执行器节点之间的时延ca是在控制器节点算法之后产生的,这样就无法得到ca的确切值。因此 k=sc+ca也就未知。1.2 时延处理方法研究为了利用式(2)对NCS进行描述,就必须在控制器节点计算时获得系统时延k,目前主要采用如下几种方法。1)将网络时延转化为固定时延。对于时变时延,可以利用一些辅助手段将其转化为固定 时 延,从 而利用确 定 性系统 的方 法研 究系统 6 - 7 。文献8在控制器节点和执行器节点设置接收缓存区,缓存区的长度大于最坏情况的时延,将时变时延转化为固定时延网络控制系统,如图1所示。图1具有缓冲区的网络控制系统结构Fig. 1B lock diagram of NCS with buffers这种方法的优点是可以利用现有的确定性系统的设计方法进行控制器的设计,缺点是此方法人为地扩大了时延,降低了系统应有的性能。2)利用概率分布确定系统时延。对于时变的网络时延,可以假设时延符合某种统计规律,在已知时延概率分布的情况下,进行系统控制器的设计。 文献 9 - 12对时延具有Markov特性的情况作了研究。N ilsson 10 分析了具有相互独立时延和具有Markov链特性时延的系统,并给出了最优控制规律。于之训等人 11 提出了一种新的控制模式:传感器、 执行器采用时间驱动,控制器采用事件驱动方式。同时在传感器、控制器节点发送端设置发送缓存区,以保证信息的发送顺序。采用这种控制模式,得到了具有随机时变传输时延的网络控制系统的数学模型。3)利用 sc估计 ca。在处理网络时延问题上,可以利用传感器节点到控制器节点时延sc近似估计控制器节点到执行器节点时延 ca。例如,假设 ca与 sc无关,通过设置数据优先级的方法,使得 ca的特征与 sc一致,这样 ca的随机分布规律与 sc相近,可以取 sc=ca。于是近似可得:k= 2 sc(3)当然,这种假设会给系统时延带来一定的误差,在对系统分析、设计与仿真时,可以假设 ca相对于 sc的变化满足一定规律的分布,如正态分布等。4)在线时延估计。在进行网络时延估算时,一般文献是在假设网络中存在同步时钟的情况下,事先离线设定网络时延的特性,如文献10,13。这种假设在特定情况下成立,但不具有一般性。这是因为并不是所有的网络技术都能支持网络时钟同步,如DeviceNet就不存在同步时钟;网络中参与数据传输的节点个数和数据任务都是变化的,不可能事先准确地对某一类数据的时延特性做出准确的离线假设。因此,有必要对网络时延进行准确的在线估计。文献 14 - 15给出了一种在线时延估算方法,即平均时延窗口(ADW)法。这种方法不需要网络同步时钟的存在,而是借助独立于具体某种网络且易于实现的网络技术。这种方法的基本思路是:通过建立网络连接,使得控制器能够获得传感器的采样周期h,把它用作对传感器节点到控制器节点时延sc的估计 。sc的特征可通过设置在控制器中的一个时延窗口获得,此窗口存储对时延的当前和历史估计值sck-M+ 1,sck共M项。通过时延窗口的M个时延数据,可以在线描述出sc的随机分布规律,然后利用一些简单的方法估计时延 sc=珘sc,其中最简单的处理方法是取时延窗口数据的平均值:sc=珘sc=6ki =1scik, k M6ki = k- M +1sciM, kM(4)通过预先在连接过程中设定的数据的优先级,使得 ca的特征与 sc一致,由此可以得到网络时延k的特征。 系统时延 k=2珘sc。2 模糊控制时延补偿2.1模糊控制器设计近年来,随着模糊控制理论的发展,将广泛应用的PI D控制器与模糊控制相结合,已成为智能控制研究的一个热门方向。为了补偿总线传输时延对系统性能的影响,本节引入模糊控制器,利用模糊控制调节PI D控制器的输出,进而改善系统的性能。系统方框图如图2所示。83第16卷电 光 与 控 制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 图2模糊控制下网络控制系统结构图Fig. 2B lock diagram of NCS with fuzzy modulati on模糊规则是由若干语言变量构成的模糊条件语句。在确定模糊变量时,首先要确定其基本语言值,然后根据需要生成若干个语言子值。选择误差信号e ( t)=r ( t)-y( t-ca)作为模糊调节器的输入,并将其分为两个论域小,大 ,相应地可以表示为 S, L。模糊语言值实际上是一个模糊子集,而语言值最终是通过隶属度函数来描述的。常见的隶属度函数有三角形、梯形和高斯型等。但是隶属度函数在大多数情况下是根据经验给出的,因此具有较大的随意性。这里根据经验建立的隶属度函数如图3所示。图3 隶属度函数Fig. 3Membershi p function of e选取控制规则:1)如果e是S,取 =1;2)如果e是L,取 =2。其中:0 12 1。解模糊运算利用式(5)实现。=1S( e)+2L( e)S( e)+L( e)(5)2.2 时延补偿控制设计模糊控制器的目的在于对PI D控制器的输出进行调整,从而补偿系统时延的影响。由图2可以得到系统控制量:uc( k)=u ( k)(6)其中: u ( k)为PI D控制器输出。3 仿真实例选择被控对象模型:G( s)=u=80ku2.3s2+s(7)其中: ku= 4.5为综合放大系数;为系统输出; u为控制输入。进行仿真实验时,选择 1= 0.18,2= 0.2,系统输入r= 5 。为了验证模糊控制器的有效性,选取采样周期h= 10 ms,总线传输延时 sc、 ca表示为高斯随机数,均值分别为 =3 ms、5ms、7 ms,方差为110- 5。仿真结果如图4、 图5所示。图4 传统PID控制Fig. 4Control performance with PID controller图5 模糊PID控制Fig. 5Control performance with Fuzzy2PID controller图4、 图5表明时延对系统的稳定性具有很大的影响,而在所设计的模糊控制器调节作用下,系统在不同总线传输时延情况下,其性能均能得到较好的改善。参 考 文 献 1 朱其新,胡寿松.网络控制系统的分析与建模 J .信息与控制, 2003,32 (1) : 528. 2 BRAN ICKY M S,L IB ERATORE V, PH ILL IPS SM.Net2worked control syste m co2simulation for co2design C / /Proceedings of theAmerican Control Conference, Denver,2003: 334123346. 3 ZHANG W.Stabilityanalysis of networked controlsys2tem s D .Case W estern Reserve University,USA,2001. 4 朱其新,吴建国,陆国平,等.网络控制系统中的基本问题与时延分析 J .南通工学院学报(自然科学版) , 2003,2 (3) : 40243. 5 W ITTENMARKB, N ILSS ON J, T;RNGREN M.Tim ingp roblems in real2time control syste m s C / /Proc of theAmerican Control Conference, US, 1995. 6 邱占芝,王庆利.网络控制系统的时延特性分析 J .沈阳工业大学学报, 2005,27 (1) : 94297.(下转第43页)93第9期吴 晨等:网络控制系统建模与控制名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 563. 6 金光,王家琪,倪伟.利用坐标变换推导经纬仪三轴误差 J.光学精密工程, 1999, 7(5) : 89294. 7 毛英泰.误差理论与精度分析M .北京:国防工业出版社, 1982. 8 屈重君,陆志东,雷宝权.惯性/景象匹配组合导航系统的误差校正研究 J.电光与控制, 2008, 15 (4) : 70273. 9 韩先锋,李俊山,孙满囤.一种多传感器融合的景像匹配算法 J.电光与控制, 2005, 12 (5) : 16219.(上接第39页) 7 LUCKR, RAYA.Anobserver2based compensator fordistributeddelays J .Automation, 1990,3 ( 5) : 9032908. 8 于之训,蒋平,陈辉堂,等.具有传输延迟的网络控制系统中状态观测器的设计 J .信息与控制, 2000,29 (2) : 1252130. 9 LUCKR, RAY A.Experimental verificati on of a delaycompensation algorithm for integrated communication andcontrolsystems J .International Journalof Control,1994, 59: 135721372. 10 N ILSS ON J. Real2tim e control syste m swithdelays D .LundInstitute of Technology, 1998. 11 于之训,陈辉堂,王月娟.基于Markov延迟特性的闭环网络控制系统研究 J.控制理论与应用, 2002,19(2) : 2632267. 12 代双凤.网络控制系统的M arkov建模 、 设计与分析D .秦皇岛:燕山大学, 2005. 13 L IAN Fengli.Analysis,design, modeling and control ofnetworked control syste m sD . M ichigan:The Universityof M ichigan, 2001. 14 魏震,李长虹,谢剑英.网络控制系统在线时延估计控制 J.控制与决策, 2003,18 (5) : 5452549. 15 魏震,马向华,谢剑英.网络控制系统中在线时延评估方法及其控制 J.上海交通大学学报,2003,37(4) : 5742577.下 期 要 目基于任务状态空间的战场电子对抗态势表示方法研究一种新的空中对水下平台的通信模式的探讨长波/微波混合伪距导航定位模型研究电视制导导弹无线电制导指令编码加密扩维UKF在目标状态估计器中的应用基于战斗机可攻击范围的目标编群研究自适应模糊奇异摄动控制在航天器中的应用飞行模拟机高度保持仿真系统构建面向态势评估的一种有效的证据理论合成公式舰艇编队对潜攻击信息处理研究混合激光制导信号的批次分选与码型识别研究多智能体强化学习飞行路径规划算法可重构飞行控制系统的滑模自适应控制律设计改进证据模型下的防空武器系统生存能力评估一类非线性不确定时滞系统鲁棒容错控制无人机自主控制等级的研究现状多Agent复杂诊断系统分布式协同求解研究基于“ 当前 ” 统计模型的模糊自适应跟踪算法兰切斯特方程的推广及其作战应用基于线性高斯滤波的反干扰跟踪方法光电跟踪的部分状态卡尔曼滤波算法研究34第9期刘美莹等:提高星图正确匹配率的新方法名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -