网络控制系统动态输出反馈控制方法

1.本发明涉及网络控制系统的技术领域，具体而言，涉及网络控制系统动态输出反馈控制方法。


背景技术：

2.网络控制系统相比于传统的点对点有线连接网络控制更有优势，例如，可以降低相应控制系统的复杂性和总体成本，提高系统的可靠性和扩展性等。网络控制在工业过程、自动化控制、机器人、飞行器、无人驾驶技术等领域已经被广泛应用。同时网络控制也面临一些挑战，比如在网络通信中会出现延时、丢包、故障和通信拥塞等问题。
3.其中针对通信拥塞，随着网络控制系统引入开放式网络，在网络控制系统中如何保证系统性能的前提下有效地交换数据和减少传输数据受到广泛关注。然而，网络控制系统的传输策略大多数采用的是时间采样的方式来传输数据，这可能会出现较高的计算量和网络拥塞甚至会导致控制系统崩溃。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供网络控制系统动态输出反馈控制方法，以解决现有技术中网络拥塞可能导致网络控制系统的控制性能降低的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供了网络控制系统动态输出反馈控制方法，技术方案如下：
6.网络控制系统动态输出反馈控制方法，包括以下步骤：
7.网络控制系统的传感器获取到被控对象在当前触发时刻的第一触发数据；
8.判断所述第一触发数据是否满足加权平均自适应事件触发条件；
9.将满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据发送到网络通信信道中；
10.动态输出反馈控制器接收满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据并对网络控制系统进行反馈控制，建立闭环系统。
11.作为本发明的进一步改进，判断所述触发数据是否满足加权平均自适应事件触发条件的过程包括步骤：将当前触发时刻的第一触发数据和下一触发时刻的第二触发数据进行加权平均处理后得到加权平均值；将加权平均值与自适应阈值函数相乘后再与触发误差进行条件比较。
12.本发明的动态输出反馈控制方法提出对发送到网络通信信道中的数据利用加权平均自适应事件触发条件机制来进行判断，满足触发条件的数据则发送到网络中，否则不发送任何数据到网络中，从而减少数据传输，有效节约网络通信通信资源，提高网络控制系统的稳定，达到缓解网络拥塞的技术效果。
13.特别地是，在本发明中的加权平均自适应事件触发条件中，自适应阈值函数取决于触发误差，即加权平均自适应事件触发可以根据触发误差的大小来自动调整自适应阈值函数的大小；例如，触发误差越大，触发阈值函数越小，网络控制系统则触发更多的数据保
证网络控制系统的稳定；触发误差越小，触发阈值函数越大，则可避免不必要的数据传输，减小了通信资源的浪费。
14.进一步地是，本发明中的加权平均自适应事件触发条件具有很好的通用性和灵活性：例如，当自适应阈值函数取值为0时，加权平均自适应事件触发可以变成时间采样方式；当自适应阈值函数是一个常数，同时σ取值为0时，加权平均自适应事件触发还可以变成传统的事件触发。
15.可见，本发明的网络控制系统动态输出反馈控制方法不仅可以有效地减少了数据传输，缓解网络拥塞，而且在使用时能够具有更好的通用性和灵活性，因此，本发明具有极强的实用性。
16.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1为本发明的网络控制系统动态输出反馈控制方法的实施例的示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
20.本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
21.此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
22.关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
23.图1为本发明的网络控制系统动态输出反馈控制方法的实施例的示意图。在图1中，执行器为网络控制系统中的执行机构和控制阀的组合体，它接受来自网络通信信道中的信息后进行执行动作，被控对象为网络控制系统中要求实现自动控制的机器、设备或生产过程，传感器为用来检测被控对象中的可测信息的检测装置，动态输出反馈控制器用于保证控制系统稳定性。
24.如图1所示，网络控制系统动态输出反馈控制方法包括以下步骤：
25.网络控制系统的传感器获取到被控对象在当前触发时刻的第一触发数据；
26.判断所述第一触发数据是否满足加权平均自适应事件触发条件；
27.将满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据发送到网络通信信道中；
28.动态输出反馈控制器接收满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据并对网络控制系统进行反馈控制，建立闭环系统。
29.其中，判断所述触发数据是否满足加权平均自适应事件触发条件的过程包括步骤：
30.(2)将当前触发时刻的第一触发数据和下一触发时刻的第二触发数据进行加权平均处理后得到加权平均值；
31.(3)将加权平均值与自适应阈值函数相乘后再与触发误差进行条件比较。
32.所述的加权平均自适应事件触发条件表示为：
[0033][0034]
t
k+1
h＝tkh+(lm+1)h；
[0035]
所述的加权平均值表示为：
[0036][0037]
所述的触发误差表示为：
[0038][0039]
所述的自适应阈值函数表示为：
[0040][0041]
所述的动态输出反馈控制器表示为：
[0042][0043]
所述的闭环系统表示为：
[0044][0045]
在上述表达式中：
[0046]
ψ表示加权平均自适应事件触发条件的集合；
[0047]
l表示上一个触发时刻和下一个触发时刻的时间间隔；lm＝max{l|l∈ψ}；
[0048]
e(t)表示触发误差；
[0049]
ω为正定权值矩阵；
[0050]
表示自适应阈值函数；
[0051]
y(tkh)表示当前触发时刻的第一触发数据；y(tkh+lh)表示下一触发时刻的第二触发数据；
[0052]
表示加权平均值；
[0053]
σ为常数；
[0054]
t表示采样时间；k是正整数，k∈{1,2,3,
…
}；tk是正整数；
[0055]
h表示采样周期；
[0056]
tkh表示触发时刻；t
k+1
h表示下一个触发时刻；
[0057]
和都为正常数；
[0058]
π表示圆周率。
[0059]
是动态输出反馈控制器的输入，是被控对象的所有数据y(t)中的满足加权平均自适应事件触发条件的数据；
[0060]
u(t)是动态输出反馈控制器的输出；
[0061]ac
、bc、dc和kc是动态输出反馈控制器增益矩阵；
[0062]
ψ(t)＝[x(t)xc(t)]
t
；x(t)表示网络控制系统的状态；xc(t)表示动态输出反馈控制器的状态；为xc(t)的一阶导数；
[0063]
xc(t-τ(t))表示受到延时τ(t)后的动态输出反馈控制器的状态；τ(t)表示网络传输时延；
[0064]
a∈rn×n、b∈rn×m和c∈rr×n是闭环系统的矩阵参数；ac、bc、dc和kc是动态输出反馈控制器增益矩阵；
[0065]
ψ(t-τ(t))＝[x(t-τ(t))xc(t-τ(t))]
t
，其中x(t-τ(t))表示受到延时τ(t)后的系统状态；
[0066]ey
(t)＝表示网络传输时延产生的误差函数，y(t-τ(t))表示受到延时τ(t)后的系统测量输出。
[0067]
本发明采用分段lyapunov函数来证明了重新构建的网络控制的闭环系统的稳定性，具体如下：
[0068]
选取分段lyapunov函数为：
[0069][0070]
求其导数为：
[0071][0072]
其中，p、q和g均为对称矩阵；τm表示延时τ(t)的最大值；s和θ表示积分变量；ψ(t-τm)表示受到最大时延τm后的闭环系统状态；
[0073]
对于给定的常数h＞0,和0＜δ＜1，正定矩阵ω＞0,如果存在对称矩阵p＞0、g＞0和q＞0，使得所述网络控制的闭环系统满足下列线性矩阵不等式成立，则网络控制系统渐进稳定：
[0074][0075]
其中，{*}表示对称矩阵块，{0}表示0矩阵块。
[0076]
经验证，本发明的闭环系统能够满足п＜0，说明应用本发明的动态输出反馈控制方法的网络控制系统渐进稳定。
[0077]
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

技术特征：
1.网络控制系统动态输出反馈控制方法，包括以下步骤：网络控制系统的传感器获取到被控对象在当前触发时刻的第一触发数据；判断所述第一触发数据是否满足加权平均自适应事件触发条件；将满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据发送到网络通信信道中；动态输出反馈控制器接收满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据并对网络控制系统进行反馈控制，建立闭环系统。2.如权利要求1所述的网络控制系统动态输出反馈控制方法，其特征在于：判断所述触发数据是否满足加权平均自适应事件触发条件的过程包括步骤：将当前触发时刻的第一触发数据和下一触发时刻的第二触发数据进行加权平均处理后得到加权平均值；将加权平均值与自适应阈值函数相乘后再与触发误差进行条件比较。3.如权利要求2所述的网络控制系统动态输出反馈控制方法，其特征在于：加权平均自适应事件触发条件表示为：t
k+1
h＝t
k
h+(l
m
+1)h；其中，ψ表示加权平均自适应事件触发条件的集合；l表示上一个触发时刻和下一个触发时刻的时间间隔；e(t)表示触发误差；ω为正定权值矩阵；表示自适应阈值函数；表示加权平均值；σ为常数；t表示采样时间；k是正整数，k∈{1,2,3,
…
}；t
k
是正整数；h表示采样周期；t
k
h表示触发时刻；t
k+1
h表示下一个触发时刻；l
m
＝max{l|l∈ψ}。4.如权利要求3所述的网络控制系统动态输出反馈控制方法，其特征在于：加权平均值表示为：其中，y(t
k
h)表示当前触发时刻的第一触发数据；y(t
k
h+lh)表示下一触发时刻的第二触发数据。5.如权利要求3所述的网络控制系统动态输出反馈控制方法，其特征在于：触发误差表示为：其中，y(t
k
h)表示当前触发时刻的第一触发数据。6.如权利要求3所述的网络控制系统动态输出反馈控制方法，其特征在于：自适应阈值函数表示为：其中，和都为正常数；π表示圆周率。7.如权利要求1所述的网络控制系统动态输出反馈控制方法，其特征在于：动态输出反馈控制器表示为：
其中，x
c
(t)、和u(t)分别是动态输出反馈控制器的状态、输入和输出；t表示采样时间；为x
c
(t)的一阶导数；a
c
、b
c
、d
c
和k
c
是动态输出反馈控制器增益矩阵；τ(t)表示网络传输中的时延；x
c
(t-τ(t))表示受到延时τ(t)后的动态输出反馈控制器的状态。8.如权利要求1所述的网络控制系统动态输出反馈控制方法，其特征在于：所述闭环系统表示为：其中，ψ(t)＝[x(t)x
c
(t)]
t
，x
c
(t)表示动态输出反馈控制器的状态，x(t)表示网络控制系统的状态；a∈r
n
×
n
、b∈r
n
×
m
和c∈r
r
×
n
是闭环系统的矩阵参数；a
c
、b
c
、d
c
和k
c
是动态输出反馈控制器增益矩阵；t表示采样时间；τ(t)表示网络传输时延；ψ(t-τ(t))＝[x(t-τ(t)) x
c
(t-τ(t))]
t
，其中x(t-τ(t))表示受到延时τ(t)后的系统状态；e
y
(t)＝表示网络传输时延产生的误差函数，(t)＝表示网络传输时延产生的误差函数，是动态输出反馈控制器的输入；y(t-τ(t))表示受到延时τ(t)后的系统测量输出；h表示采样周期。

技术总结
本发明公开了网络控制系统动态输出反馈控制方法，解决了现有技术中网络拥塞可能导致网络控制系统的控制性能降低的技术问题。网络控制系统动态输出反馈控制方法，包括以下步骤：网络控制系统的传感器获取到被控对象在当前触发时刻的第一触发数据；判断所述第一触发数据是否满足加权平均自适应事件触发条件；将满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据发送到网络通信信道中；动态输出反馈控制器接收满足加权平均自适应事件触发条件的第一触发数据并对网络控制系统进行反馈控制，建立闭环系统。立闭环系统。立闭环系统。


技术研发人员：刘霞 周小煜 项彪
受保护的技术使用者：西华大学
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/9/23