雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)的綜合調(diào)度策略研究*

張嘯宇，劉電霆

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)的綜合調(diào)度策略研究*

張嘯宇，劉電霆

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林541004)

摘要：討論了一種新的雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)模型，提出了綜合調(diào)度策略。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度策略中，變采樣周期算法和死區(qū)反饋算法都能調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)資源，提高系統(tǒng)控制性能，但前者對(duì)采樣率有要求，后者會(huì)降低系統(tǒng)控制品質(zhì)。在綜合調(diào)度策略中，系統(tǒng)內(nèi)環(huán)使用變采樣周期算法，且使用三次指數(shù)平滑計(jì)算預(yù)測(cè)值，以降低采樣率需求，系統(tǒng)外環(huán)使用死區(qū)反饋算法，并加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)，補(bǔ)償丟失的控制值。此外，針對(duì)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，綜合策略還加入了基于內(nèi)外環(huán)性能的優(yōu)先級(jí)分配方法。仿真表明，綜合調(diào)度策略可以提高該系統(tǒng)性能，能保證其網(wǎng)絡(luò)資源分配。

關(guān)鍵詞：綜合調(diào)度策略；雙采樣率；串級(jí)控制系統(tǒng)

0引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems, NCSs)的特點(diǎn)是系統(tǒng)控制信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換[1]。在分析NCSs控制性能時(shí)，網(wǎng)絡(luò)資源通常被設(shè)定為無(wú)限大，但實(shí)際的多回路NCSs會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)資源限制，所以需要對(duì)多回路NCSs進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)度。雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)的內(nèi)外環(huán)采樣周期不同，故其分配網(wǎng)絡(luò)資源的方式相對(duì)于常規(guī)NCSs也存在特殊性。

目前網(wǎng)絡(luò)調(diào)度研究主要采用TOD動(dòng)態(tài)調(diào)度、變采樣周期調(diào)度、死區(qū)調(diào)度等方法。文獻(xiàn)[1-4] 提出了具有通訊限制的NCSs的TOD動(dòng)態(tài)調(diào)度策略及其魯棒H∞控制器設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)[5-7]研究了應(yīng)用變采樣周期調(diào)度的多回路NCSs模型。文獻(xiàn)[8-10]研究了設(shè)置死區(qū)策略的NCSs的H∞控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題。

TOD動(dòng)態(tài)調(diào)度是針對(duì)多回路單控制器NCSs。變采樣周期調(diào)度能保證系統(tǒng)性能，但是不足以保證控制實(shí)時(shí)性。采用死區(qū)調(diào)度，其采樣周期不變，但會(huì)影響控制性能。上述方法均只適用于常規(guī)多回路單環(huán)NCSs。現(xiàn)在對(duì)多回路雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)度問(wèn)題的研究還很少。

在綜合調(diào)度策略中，內(nèi)環(huán)使用具有指數(shù)平滑預(yù)測(cè)的變采樣周期調(diào)度，外環(huán)使用具有補(bǔ)償環(huán)節(jié)的死區(qū)反饋調(diào)度。仿真證明了該策略在雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)調(diào)度上是有效的。

1綜合調(diào)度策略方案

如圖1所示，p1為被控對(duì)象1，p2為被控對(duì)象2，A為執(zhí)行器，S1為傳感器1，S2為傳感器2，C1為控制器1，C2為控制器2，Cp1為死區(qū)補(bǔ)償器，SC為調(diào)度器。p1、S1、C1和A為內(nèi)環(huán)，p1、p2、S2、C2、C1和A為外環(huán)。

圖1　多回路雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)傳感器均為時(shí)間驅(qū)動(dòng)，控制器均為事件驅(qū)動(dòng)。各回路的內(nèi)環(huán)采樣周期T1小于外環(huán)采樣周期T2。j1和j2分別為調(diào)度器內(nèi)環(huán)和外環(huán)的監(jiān)測(cè)周期。由于T1小于T2，所以常規(guī)NCSs調(diào)度方法難以適用雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)。相對(duì)外環(huán)，內(nèi)環(huán)采樣次數(shù)多，且被控對(duì)象1輸出為被控對(duì)象2輸入，故調(diào)度應(yīng)優(yōu)先保證內(nèi)環(huán)控制的實(shí)時(shí)性。外環(huán)采樣次數(shù)少，且控制對(duì)象2輸出為系統(tǒng)輸出，故調(diào)度優(yōu)先保證外環(huán)控制性能?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，提出綜合調(diào)度策略，內(nèi)環(huán)采用變采樣周期調(diào)度，外環(huán)采用死區(qū)調(diào)度。

1.1性能指標(biāo)

NCSs通常采用誤差絕對(duì)積分(integral of absolute error, IAE)作為系統(tǒng)性能指標(biāo)，即：

其中ydes和yact分別為系統(tǒng)輸出期望值和實(shí)際值，t0為初始時(shí)刻。則系統(tǒng)內(nèi)環(huán)和外環(huán)的IAE分別為：

內(nèi)環(huán)

外環(huán)

1.2內(nèi)環(huán)調(diào)度

內(nèi)環(huán)采用變采樣周期調(diào)度算法。內(nèi)環(huán)的網(wǎng)絡(luò)利用率和執(zhí)行時(shí)間在數(shù)值上是呈曲線波動(dòng)的，而且內(nèi)環(huán)調(diào)度要求快速準(zhǔn)確。三次指數(shù)平滑對(duì)于在時(shí)間上存在曲線趨勢(shì)的數(shù)值有很強(qiáng)預(yù)測(cè)能力，并且其運(yùn)算速度快，這符合內(nèi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)利用率和執(zhí)行時(shí)間的預(yù)測(cè)要求。

1.2.1網(wǎng)絡(luò)利用率預(yù)測(cè)

1.2.2執(zhí)行時(shí)間預(yù)測(cè)

其中

1.2.3內(nèi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)利用率分配

每個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，內(nèi)環(huán)采樣周期是時(shí)變的。在第j2個(gè)監(jiān)測(cè)周期時(shí)，內(nèi)外環(huán)采樣可能存在兩種情況：①外環(huán)和內(nèi)環(huán)采樣時(shí)刻不同；②內(nèi)環(huán)和外環(huán)同時(shí)采樣。因此內(nèi)環(huán)采樣率再分配應(yīng)分別討論。

設(shè)pi(j2)為第j2個(gè)監(jiān)測(cè)周期時(shí)第i回路的內(nèi)環(huán)采樣時(shí)刻與外環(huán)采樣時(shí)刻的差值：

則第j2個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)利用率分配有：

(1)如pi(j2)，即符合情況(1)，則各回路內(nèi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)利用率分配值為:

(2)如pi(j2)，即符合情況(2)，此時(shí)各回路內(nèi)環(huán)調(diào)度除了要滿足全網(wǎng)絡(luò)資源分配要求，也應(yīng)兼顧外環(huán)性能，故采取下述策略：當(dāng)?shù)趈2個(gè)監(jiān)測(cè)周期時(shí)，各回路內(nèi)環(huán)僅分配保證穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)利用率。則各回路內(nèi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)利用率分配值有:

1.2.4周期計(jì)算

1.3外環(huán)調(diào)度

外環(huán)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)性能有很大影響，因此外環(huán)采用具有補(bǔ)償環(huán)節(jié)的死區(qū)調(diào)度算法，補(bǔ)償器用以補(bǔ)償進(jìn)入死區(qū)而主動(dòng)丟失的控制信息。補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用三次微分法計(jì)算預(yù)測(cè)值，在文獻(xiàn)[10]中該方法被用于網(wǎng)絡(luò)丟包補(bǔ)償，該方法不需要大量的實(shí)際值，運(yùn)算速度和精度也足以滿足要求。

1.3.1死區(qū)判據(jù)

死區(qū)調(diào)度算法：

當(dāng)外環(huán)采樣時(shí)，傳感器2采集被控對(duì)象2信號(hào)，判斷其是否滿足死區(qū)算法，如滿足則傳感器2停止向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)，反之則正常傳輸。

1.3.2死區(qū)范圍大小調(diào)整

死區(qū)范圍調(diào)整算法：

di(j2)=di(j2-1)+Δdi(j2)

1.3.3死區(qū)補(bǔ)償

補(bǔ)償器動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)過(guò)去四個(gè)周期控制器2的輸出信號(hào)實(shí)際值，當(dāng)死區(qū)算法觸發(fā)時(shí)，補(bǔ)償器啟動(dòng)，完成外環(huán)控制量的預(yù)測(cè)補(bǔ)償，且補(bǔ)償值作為當(dāng)前周期實(shí)際值存儲(chǔ)于補(bǔ)償器。

2仿真

仿真使用TrueTime1.5，考慮三個(gè)相同參數(shù)的雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)回路。

被控對(duì)象1：

被控對(duì)象2：

各回路系統(tǒng)的兩組控制器參數(shù)均K1=-0.19，K2=0.35；各回路內(nèi)外環(huán)初始采樣周期分別為T(mén)1=1s，T2=3s，各回路內(nèi)環(huán)最大采樣周期T1max=10s，網(wǎng)絡(luò)帶寬為800b/s，仿真時(shí)間300s，輸入為頻率為0.008的方波波形。

圖2　固定采樣周期的回路1輸入/輸出響應(yīng)

圖3　綜合調(diào)度策略的回路1輸入/輸出響應(yīng)

圖4　固定采樣周期的回路2輸入/輸出響應(yīng)

圖5　綜合調(diào)度策略的回路2輸入/輸出響應(yīng)

圖6　固定采樣周期的回路3輸入/輸出響應(yīng)

圖7　綜合調(diào)度策略的回路3輸入/輸出響應(yīng)

圖8　固定采樣周期的三回路網(wǎng)絡(luò)調(diào)度圖

圖9　綜合調(diào)度策略的三回路網(wǎng)絡(luò)調(diào)度圖

從圖2、圖4和圖6可以看出，由于存在網(wǎng)絡(luò)資源限制，在回路采用固定采樣周期運(yùn)行時(shí)，回路性能均下降，其中優(yōu)先級(jí)最低的回路三性能下降最大。回路采用綜合調(diào)度策略時(shí)，輸出響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3、圖5和圖7，每個(gè)回路都能保證穩(wěn)定且系統(tǒng)性能波動(dòng)不大。圖8、圖9中，節(jié)點(diǎn)1~7為回路3，節(jié)點(diǎn)8~14為回路3，節(jié)點(diǎn)15~21為回路3，節(jié)點(diǎn)22~23為調(diào)度器。對(duì)比圖8和圖9，發(fā)現(xiàn)采用固定采樣周期只能保證高優(yōu)先級(jí)回路網(wǎng)絡(luò)資源的分配，難以保證低優(yōu)先級(jí)回路網(wǎng)絡(luò)需求，而綜合調(diào)度策略網(wǎng)絡(luò)資源分配合理。

3結(jié)論

針對(duì)雙采樣率網(wǎng)絡(luò)化串級(jí)控制系統(tǒng)具有內(nèi)外環(huán)采樣周期不同的特點(diǎn)，提出了一種綜合調(diào)度策略。內(nèi)環(huán)采用變采樣周期調(diào)度，并利用三次指數(shù)平滑算法預(yù)測(cè)內(nèi)環(huán)采樣周期。外環(huán)采用死區(qū)調(diào)度策略，并對(duì)死區(qū)主動(dòng)丟包進(jìn)行補(bǔ)償，采用三次比例微分法預(yù)測(cè)補(bǔ)償值。最后研究了多回路系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)調(diào)度。仿真表明綜合調(diào)度策略可以起到調(diào)節(jié)多回路系統(tǒng)，保證系統(tǒng)整體控制性能的作用。

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(編輯李秀敏)

The Study of Network Cascade Control System with Double-sampling Rate Based on Scheduling

ZHANG Xiao-yu, LIU Dian-ting

(College of Mechanical and Control Engineering, Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541004, China)

Abstract：For a new network cascade control system with double-sampling rate, the paper proposes a new comprehensive scheduling strategy. In the scheduling strategy of the network control system, Variable sampling period algorithm and deadband scheduling algorithm can adjust network resources and improve the control performance, but the sampling rate is required in the former and the latter reduce the control quality of system. In the strategy, the variable sampling period algorithm is used in inner-loop and the forecast values is calculated by the three exponential smoothing method in order to reduce the needs of the sampling rate. The deadband feedback scheduling approach is used in outer-loop and has the compensation link to compensate control value dropout. In addition, for multiply notes, the priority allocation method is used based on the control performance of inner-loop and outer-loop. The simulation show that the performance of network cascade control system with double sampling rate is improved by the comprehensive scheduling strategy and the method makes sure its network resource allocation.

Key words：comprehensive scheduling strategy; differential sampling rate; network cascade control system

中圖分類號(hào)：TH166;TG506

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張嘯宇(1990—)，男，山西運(yùn)城人，桂林理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)，(E-mail)165303801@qq.com。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51165004);2015年廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“面向中小微企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)放式創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)研發(fā)”(桂科攻1598007-15);2012年桂林理工大學(xué)博士基金(2011)

收稿日期：2015-07-10