* 一 种 基 于 模 型 的 输 出 反 馈 网 络 化 控 制 系 统 刘 松 晖, 吴 俊, 徐 巍 华, 陈 生 (. 工 业 控 制 技 术 国 家 重 点 实 验 室 浙 江 大 学 先 进 控 制 研 究 所, 浙 江 杭 州 3007;. 南 安 普 敦 大 学 电 子 与 计 算 机 学 院, 英 国 南 安 普 敦 SO7 BJ) E-mail: shliu@iipc.zju.edu.cn Tel: 057-879533-808 摘 要 : 本 文 提 出 一 种 基 于 模 型 的 输 出 反 馈 网 络 化 控 制 系 统 其 主 要 思 想 是 通 过 引 入 对 象 的 输 入 输 出 模 型 和 缓 存 器 来 克 服 网 络 造 成 的 信 息 反 馈 不 及 时 该 系 统 在 不 能 获 得 反 馈 信 息 的 时 候, 可 以 利 用 对 象 模 型 的 输 出 值 近 似 代 替 对 象 的 输 出 值 计 算 控 制 量, 而 在 网 络 通 畅 时 刻 则 利 用 对 象 输 出 计 算 控 制 量 并 刷 新 模 型 给 出 了 具 体 的 算 法, 利 用 仿 真 示 例 验 证 了 算 法 的 有 效 性 关 键 词 : 网 络 控 制 系 统 ; 网 络 时 延 ; 模 型 ; 输 出 反 馈 中 图 分 类 号 :TP 73 文 献 标 识 码 : A. 引 言 在 传 统 的 控 制 系 统 当 中, 每 一 对 传 感 器 / 控 制 器 独 立 分 配 一 个 信 道, 这 种 点 对 点 的 控 制 系 统 具 有 良 好 的 实 时 性 和 可 靠 性 但 在 现 代 复 杂 工 业 过 程 中, 需 要 控 制 的 节 点 成 千 上 万, 独 立 分 配 信 道 势 必 使 系 统 昂 贵 难 以 接 受, 不 易 安 装 维 护 随 着 计 算 机 网 络 技 术 通 信 技 术 等 飞 速 发 展, 网 络 控 制 系 统 NCS(Networked Control Systems) 的 出 现 解 决 了 这 个 难 题 在 NCS 当 中, 所 有 的 控 制 器 和 传 感 器 以 及 其 他 智 能 现 场 设 备 都 共 用 一 个 信 道 来 传 输 数 据, 实 现 了 现 场 设 备 控 制 的 分 布 化 和 网 络 化, 具 有 信 息 资 源 共 享 连 接 数 大 大 减 少 易 于 扩 展 维 护 高 效 率 和 灵 活 等 优 点 然 而, 由 于 所 有 设 备 分 时 占 用 同 一 个 网 络 信 道, 而 网 络 的 承 载 能 力 和 通 信 带 宽 有 限, 必 然 会 造 成 传 感 器 的 测 量 信 息 经 常 不 能 及 时 送 达 控 制 器 的 情 况, 成 为 网 络 化 控 制 的 一 个 难 点 问 题 针 对 网 络 引 入 导 致 的 上 述 控 制 难 题, 许 多 研 究 者 提 出 多 种 旨 在 降 低 其 负 面 影 响 的 控 制 策 略 [,] 这 些 策 略 可 分 为 三 类, 第 一 类 从 保 证 控 制 系 统 的 控 制 性 能 QoP(Quality of performance) 入 手, 设 计 各 种 控 制 策 略 保 证 系 统 性 能 和 稳 定 性 [3,4,5] 这 类 策 略 的 缺 点 是 忽 略 了 复 杂 的 网 络 行 为, 简 单 地 将 网 络 对 系 统 的 性 能 的 影 响 归 入 各 种 不 同 时 延, 丢 包 的 结 果, 片 面 强 调 控 制 系 统 稳 定 性 和 控 制 性 能 ; 第 二 类 控 制 策 略 则 从 保 证 控 制 网 络 服 务 质 量 QoS (Quality of Service) 角 度 入 手, 将 问 题 归 结 为 网 络 的 调 度 问 题, 例 如 Zuberi,Cena 等 采 用 给 不 同 数 据 设 定 不 同 优 先 级 的 策 略 来 配 置 带 宽 的 使 用 [8,9] 这 类 控 制 策 略 侧 重 于 保 证 网 络 时 延 的 有 界 性 带 宽 资 源 利 用 率 的 提 高, 而 将 控 制 系 统 性 能 简 单 归 结 为 信 息 传 输 的 实 时 性 和 可 靠 性, 缺 少 对 网 络 化 控 制 系 统 性 能 影 响 的 确 切 研 究 ; 第 三 类 控 制 策 略 结 合 QoP 和 QoS 的 优 点, 在 设 计 控 制 系 统 同 时 考 虑 网 络 实 现 的 问 题, 有 利 于 系 统 性 能 的 总 体 提 升, 因 而 这 种 策 略 已 经 成 为 网 络 化 控 制 系 统 研 究 的 主 流 Hong 提 出 了 一 种 采 样 时 间 调 度 方 法 用 来 恰 当 地 选 择 一 个 采 样 时 间 周 期, 在 这 个 采 样 周 期 下 网 络 时 延 对 系 统 的 控 制 性 能 影 响 不 大, 并 且 不 使 系 统 失 稳 [0] Montestruque 等 提 出 了 一 种 基 于 状 态 模 型 的 网 络 化 控 制 方 法, 在 控 制 器 节 点 一 侧 建 立 一 个 关 于 被 控 对 象 的 状 态 模 型, 在 网 络 未 接 通 时 刻, 利 用 此 模 型 的 状 态 作 为 对 象 状 态 的 估 计 值 进 行 状 态 反 馈, 而 在 网 络 接 通 时 刻, 就 直 接 利 用 对 象 状 态 进 行 状 态 反 馈 [6,7] 这 种 方 法 可 以 在 保 证 系 统 稳 定 性 和 性 能 的 同 时, 尽 量 减 少 对 网 络 的 使 用 从 而 降 低 网 络 负 荷 文 献 [6][7] 均 采 取 状 态 反 馈 控 制 结 构, 在 实 际 工 程 应 用 中, 直 接 测 量 状 态 往 往 是 很 困 难 的, 而 输 出 信 号 的 测 量 要 容 易 的 多 针 对 这 一 点, 我 们 提 出 了 一 种 基 于 输 入 输 出 模 型 的 输 出 反 馈 网 络 化 控 制 系 统 本 文 讨 论 基 于 下 面 假 设 : 整 个 网 络 化 控 制 系 统 的 延 时 仅 存 在 于 传 感 器 和 控 制 器 之 间 这 在 实 际 中 有 许 多 例 子, 例 如 结 合 现 场 总 线 接 口 的 智 能 仪 表 控 制 器, 以 及 工 * 本 文 工 作 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金 (6037400 60400) 973 计 划 (00CB300) 教 育 部 新 世 纪 人 才 支 持 计 划 (NCET-04-0547) 和 英 国 皇 家 工 程 院 的 资 助 - -
业 应 用 中 复 杂 的 PLC 系 统 等 本 文 后 面 内 容 安 排 为 : 第 节 介 绍 基 于 模 型 的 输 出 反 馈 网 络 化 控 制 系 统 的 结 构 及 其 算 法 ; 第 3 节 用 一 个 不 稳 定 被 控 对 象 仿 真 验 证 本 文 算 法 的 有 效 性 ; 第 4 节 简 要 总 结 本 文 的 工 作. 输 出 反 馈 网 络 化 控 制 系 统 算 法 由 于 网 络 的 引 入 导 致 信 息 反 馈 滞 后, 如 图 所 示, 网 络 化 控 制 系 统 一 般 都 会 在 控 制 器 前 加 入 一 缓 存 器 来 缓 存 最 近 一 次 反 馈 回 来 的 信 息, 以 便 在 无 反 馈 信 息 到 来 时 将 其 当 作 当 前 时 刻 的 反 馈 值 送 往 控 制 器 进 行 运 算 该 方 法 缺 点 在 于 当 网 络 时 延 较 大 时, 当 前 可 用 反 馈 值 严 重 过 时, 这 对 实 时 性 要 求 高 的 控 制 系 统 是 不 可 容 忍 的 w e Cz ( ) u y P( z) p 图 不 基 于 模 型 的 网 络 化 控 制 系 统 图 所 示 为 本 文 提 出 的 输 出 反 馈 网 络 化 控 制 系 统 其 中, P( z ) 为 严 格 因 果 的 离 散 被 控 对 象 ; Cz ( ) 为 离 散 控 制 器 ; M ( z ) 为 设 计 者 建 立 的 关 于 P( z ) 的 模 型 ;w 为 系 统 参 考 输 入 ;e 为 系 统 参 考 输 入 与 模 型 输 出 的 差, 即 e= w ym 在 时 刻 k, P( z ) 输 出 yp ( k ), 若 此 时 刻 网 络 繁 忙 不 可 用, 则 将 yp ( k ) 存 放 在 缓 存 器 中, ym ( k ) 由 M ( z ) 自 己 计 算 得 出, 这 样 在 对 象 输 出 不 能 及 时 反 馈 的 情 况 下 可 以 保 证 闭 环 控 制 运 算 不 受 影 响 ; 如 果 在 时 刻 k 网 络 是 畅 通 的, 则 将 原 来 存 放 在 缓 存 器 的 历 史 数 据 和 yp ( k ) 一 起 送 往 M ( z ), 以 使 ym( k) = yp( k), 并 让 M ( z ) 利 用 收 到 的 数 据 更 新 其 内 部 信 息 以 使 未 来 时 刻 的 y m 更 接 近 于 y p w e u Cz ( ) P( z) y p y m M ( z) 图 基 于 模 型 的 网 络 化 控 制 系 统 下 面 以 一 个 SISO 线 性 的 M ( z ) 为 例 具 体 展 示 本 文 算 法 设 n z nz M( z) = β + L + β + + L + α z αz n n 假 设 在 图 系 统 中, 当 时 刻 k 满 足 条 件 k = h, l {0,, L } () l () - -
时 网 络 通, 否 则 网 络 不 通 其 中 h l+ hl 是 网 络 接 通 间 隔 当 k hl 时, 模 型 的 运 算 为 : y ( k) = β u( k ) + L+ β u( kn) α y ( k) L α y ( kn) (3) m n m n m 当 k = h 时, 模 型 利 用 网 络 传 来 的 数 据 更 新 信 息, 具 体 运 算 为 : l ym( k) = yp( k) ym( k ) = yp( k ) M ym( hl + ) = yp( hl + ) (4) 设 控 制 器 Cz ( ) 能 镇 定 M ( z ), 不 难 看 出, 当 P( z ) 与 M ( z ) 完 全 相 等 时, 无 论 h l+ hl 有 多 大, 图 所 示 系 统 都 是 稳 定 的 如 果 存 在 模 型 误 差, 由 于 在 网 络 畅 通 时 刻 用 对 象 的 输 出 值 刷 新 模 型 内 部 信 息, 可 以 一 定 程 度 上 减 少 模 型 失 配 的 影 响 3. 算 法 有 效 性 验 证 下 面 以 一 个 不 稳 定 对 象 为 例, 分 别 采 用 图 和 图 结 构 构 成 控 制 系 统, 并 在 不 同 延 时 特 性 下 进 行 阶 跃 响 应 仿 真 实 验 对 比, 以 验 证 本 文 控 制 策 略 的 有 效 性 取 二 阶 被 控 对 象 为 : 0.096z 0.0868z Pz ( ) = (5).89z + 0.89z 对 象 模 型 : 0.08z 0.z M( z) = (6).6z + 0.6z 可 以 看 出 (5) 式 所 示 被 控 对 象 是 不 稳 定 的, 而 对 比 (5) 和 (6) 式, 可 以 发 现 对 象 和 模 型 之 间 存 在 比 较 明 显 的 误 差 取 控 制 器 Cz ( ): 7.0 6.5z Cz ( ) = (7) z () 时 延 为 常 数 的 情 况 分 别 取 时 延 ( 即 网 络 接 通 间 隔 h l+ h ) l 为 与 进 行 仿 真, 仿 真 结 果 分 别 见 图 3 图 4.5 0.5 0-0.5 - -.5-0 0 30 40 50 60 70 80 90 00 0 0 图 3 时 延 固 定 为 时 系 统 阶 跃 响 应 曲 线 对 比 - 3 -
其 中 采 用 本 文 算 法 得 到 的 系 统 阶 跃 响 应 如 图 中 实 线 所 示, 而 采 用 图 所 示 的 传 统 网 络 化 控 制 系 统 算 法 的 系 统 阶 跃 响 应 如 图 中 虚 线 所 示 从 图 中 可 以 看 出, 当 时 延 为 时, 二 者 阶 跃 响 应 差 别 不 大, 只 是 本 文 算 法 过 渡 更 平 稳 ; 当 时 延 增 加 到 时, 本 文 的 算 法 仍 能 使 系 统 控 制 性 能 维 持 在 一 个 可 以 接 受 的 水 平, 而 采 用 图 算 法 的 系 统 阶 跃 响 应 则 已 经 严 重 发 散 可 见 图 所 示 系 统 对 时 延 变 化 非 常 敏 感, 系 统 极 易 失 稳 而 本 文 算 法 能 在 得 不 到 反 馈 信 息 时, 利 用 模 型 输 出 代 替 对 象 输 出 进 行 闭 环 运 算, 即 使 模 型 存 在 较 大 误 差, 但 因 为 定 时 利 用 对 象 输 出 刷 新 模 型 内 部 信 息, 因 此 其 系 统 可 以 承 受 较 大 时 延 而 保 持 稳 定 进 一 步, 如 果 模 型 与 对 象 精 确 匹 配, 则 可 以 完 全 不 受 时 延 得 影 响, 这 对 传 统 方 法 而 言 是 不 可 能 的 5 4 3 0 - - -3-4 -5 0 0 30 40 50 60 70 80 90 00 0 0 图 4 时 延 固 定 为 时 系 统 阶 跃 响 应 曲 线 对 比 () 时 延 为 随 机 情 况 假 定 延 时 ( 即 网 络 接 通 间 隔 h l+ h ) l 为 随 机 有 界, 取 其 上 界 为 5, 仿 真 结 果 见 图 5 当 采 用 图 算 法 时 系 统 的 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 5 虚 线 所 示 采 用 本 文 算 法 情 况 下, 系 统 阶 跃 响 应 曲 线 如 图 5 中 实 线 所 示 可 以 看 出, 采 用 图 算 法 情 况 下, 整 个 系 统 严 重 发 散 ; 而 在 采 用 本 文 算 法 情 况 下, 由 于 利 用 模 型 运 算 补 偿 时 延, 系 统 动 态 与 稳 态 性 能 均 表 现 良 好 可 见 本 文 算 法 在 时 延 为 随 机 情 况 下 仍 然 有 效 5 4 3 0 - - -3-4 -5 0 0 30 40 50 60 70 80 90 00 0 0 图 5 时 延 随 机 情 况 系 统 阶 跃 响 应 曲 线 对 比 - 4 -
4. 结 论 本 文 提 出 一 种 基 于 输 入 输 出 模 型 的 输 出 反 馈 网 络 化 控 制 系 统 结 构, 给 出 系 统 的 控 制 思 想 和 具 体 控 制 算 法 仿 真 结 果 表 明 本 文 的 控 制 策 略 直 接 采 用 可 以 测 量 的 输 出 信 号, 方 便 实 用 ; 由 于 采 用 了 模 型 运 算 补 偿 网 络 传 输 延 时, 且 利 用 对 象 输 出 刷 新 模 型 内 部 信 息 以 减 小 模 型 失 配 影 响, 本 文 控 制 结 构 能 很 好 的 抑 制 固 定 延 时 和 随 机 时 延 对 系 统 性 能 的 影 响, 从 而 获 得 一 个 较 好 的 控 制 水 平 参 考 文 献 [] Tipsuwan Y, Chow M Y. Control methodologies in networked control systems[j]. Control Engineering Pratice, 003, (0): 099-. [] 黎 善 斌, 王 智, 张 卫 东, 孙 优 贤. 网 络 控 制 系 统 的 研 究 现 状 与 展 望 [J]. 信 息 与 控 制,003, 3(3):39~44 [3] Luck R, Ray A. An observer-based compensator for distributed delays[j]. Automatica 990, 6(5): 903~908 [4] Luck R, Ray A. Experimental verification of a delay compensation algorithm for intergrated communication and control systems[j]. International Journal of Control, 994,59(6), 357-37. [5] Chan H, Özgüner Ü. Closed-loop control of systems over a communication network with queues[a]. Proceedings of the American control Conference,Baltimore, Maryland, June 994 : 8-85 [6] Montestruque L A, Antsaklis P J. On the model-based control of networked systems[j]. Automatica 39(003) 837-843 [7] Montestruque L A, Antsaklis P J. State and output feedback control in model-based networked control systems[j]. 4 st IEEE Conf Decision and Control[C].Las Vegas, 00: 60-65. [8] Zuberi K M, Shin K G. Design and implementation of efficient message scheduling for controller area network [J]. IEEE Trans On Computers, 000,49():8-88. [9] Cena G,Valenzano A.Achieving round robin access in controller area networks[j]. IEEE Tram on Industrial Electronics,00.9(6):I0 I3 [0] Hong, S. H. (995). Scheduling algorithm of data sampling times in the integrated communication and control systems. IEEE Transactions on Control Systems technology, 3(), 5 30. 作 者 简 介 : 刘 松 晖 (979-), 男, 浙 江 大 学 信 息 学 院 控 制 理 论 与 控 制 工 程 专 业 硕 士 研 究 生, 研 究 方 向 为 网 络 时 延 控 制 ; 吴 俊 (967-), 男, 浙 江 大 学 控 制 系 先 进 控 制 研 究 所 研 究 员, 博 士 生 导 师, 主 要 研 究 方 向 为 鲁 棒 控 制 抗 脆 弱 控 制 和 模 型 降 阶 ; 徐 巍 华 (976-), 女, 浙 江 大 学 控 制 系 先 进 控 制 研 究 所 讲 师, 博 士, 主 要 研 究 方 向 为 鲁 棒 控 制, 抗 脆 弱 控 制 陈 生 (957-), 男, 英 国 南 安 普 敦 大 学 电 子 与 计 算 机 学 院 教 授, 博 士, 主 要 研 究 方 向 为 信 号 处 理 移 动 通 信 和 抗 脆 弱 控 制 - 5 -
A Class of Model-Based Output-Feedback Networked Control Systems Abstract: In this paper a class of output-feedback networked control systems is addressed. A key idea about this class of system is to introduce a plant model and a buffer to overcome the defect of feedback lag introduced by the network usage. When the feedback is unavailable, the control output is computed based on the plant model output, and when available, based on the plant output, meanwhile, the plant model is updated with the plant output. The concrete algorithm has been presented, and some simulations have been made to verify the algorithm. Keyword: Networked Control System; Network Time-delay; Model; Output Feedback - 6 -