[发明专利]一种网络控制系统的量化控制方法及量化控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及网络控制系统，尤其是涉及一种网络控制系统的量化控制方法及量化控制装置。

背景技术

随着计算机网络的广泛应用和网络技术的不断发展，控制系统的结构正在发生变化。传统的反馈控制系统中，控制对象和控制器一般都分布在一个有限的区域内，各节点之间的信号一般都通过点对点的线路传输。然而，随着大规模工业化的兴起和网络技术的不断发展，一方面系统越来越复杂，传统的布线设计方法存在着成本高，不易维护、不易扩展、可靠性差等缺点。另外，人们对异地控制，分布式控制和远程控制等需求越来越多，传统控制系统的地域局限性也越来越突出。因此传统的点对点连接方式的控制系统越来越不能满足人们日益发展的需求。

目前越来越多的控制系统中，各个节点之间分布比较分散，控制器、被控对象、传感器和执行器之间需要通过控制网络进行信号的传输和信息交换，人们称之为网络控制系统。该系统引起了人们的广泛关注，由于它可以有效地避免传统控制系统存在的缺点，可以实现地域上广泛分布的控制节点之间的信息交换，同时还可以实现实时反馈控制，实现远程操作与控制，而且这类系统安装与维护简便，系统成本比较低，便于扩展、灵活性强。在自动化制造工厂、汽车电子、机器人、航天航空器以及电气化轨道运输等控制领域得到了越来越广泛的应用，是未来控制系统的发展模式。

虽然网络控制系统有如此多的优点，但是由于在控制系统中引入网络，其自身的缺点也很明显，比如由于网络的存在，网络控制系统中信息的传输是通过通信网络进行的，而网络的带宽总是有限，因此数据在网络传输过程中不可避免的出现碰撞以及排队等待。而这些现象导致控制系统中引入了传输时延、数据丢包、数据包乱序和传输速率有限等缺点，从而导致系统性能变差，严重的甚至影响系统的稳定性。

上述问题在传统的控制系统中大都是不存在的。这样，一些在传统控制系统中广泛应用的方法在网络控制系统中就不再适用，这就给网络控制系统的研究提出了新的研究方向和挑战。同时网络控制系统的研究也是近年来国际控制领域的研究热点之一。

目前有大量文献针对网络控制系统进行研究，也得到了很多有益的结论。但是在关于量化控制器的设计方法中，大部分文献都将控制网络理想化，即假设在网络传输过程中不存在时延和丢包等现象，仅存在量化器的情形下设计对应的控制器，这种量化控制器的设计方法没有考虑在现实网络环境下，网络环境对被控对象和控制器的影响。本发明提供了一种在控制网络存在随机时延情况下量化控制器的设计方法，相比之下，这种控制网络模型更加符合现实情况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单、设计方法容易实现，能根据不同的量化器参数设计对应的控制器，并对被控对象提供实时在线控制的网络控制系统的量化控制方法及量化控制装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种网络控制系统的量化控制器的量化控制方法，其特征在于：1)根据被控对象的状态空间方程以及量化器的量化密度，通过求解对应的线性矩阵不等式，得到相应的控制器增益矩阵；2)传感器对被控对象的当前状态信号进行采样得到状态信息，该状态信息首先通过第一编码器进行编码，再通过具有随机通信时延的控制网络传到第一解码器进行解码，之后输送到控制器的输入端；3)控制器根据步骤1)中得到的控制器增益矩阵对该状态信号进行处理，得到当前时刻的控制输入量信息，并将该控制输入量信息经过量化器量化得到量化信息，该量化信息首先通过第二编码器进行编码，再经过控制网络传输到第二解码器进行解码，之后输送到执行器，对被控对象进行控制，到达系统稳定；在以后的采样周期，重复步骤2)～3)，可实现实时在线控制。

步骤1)和步骤3)中所述的量化器为对数量化器。

该量化控制装置包括传感器、第一编码器、第一解码器、控制器单元、量化器、第二编码器、第二解码器、执行器，所述的传感器的输入端与被控对象连接，所述的传感器的输出端与第一编码器的输入端连接，所述的第一编码器的输出端与第一解码器的输入端连接，所述的第一解码器的输出端与控制器单元的输入端连接，所述的控制器单元的输出端与量化器的输入端连接，所述的量化器的输出端与第二编码器的输入端连接，所述的第二编码器的输出端与第二解码器的输入端连接，所述的第二解码器的输出端与执行器的输入端连接，所述的执行器的输出端与被控对象连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、控制器结构简单。在设计过程中，只需要根据被控对象的系统矩阵和对数量化器的参数，通过求解一个线性矩阵不等式，即可得到相应的量化控制器的增益矩阵。