調速控制外文翻譯

應用于現(xiàn)場總線系統(tǒng)的卡爾曼濾波-有延遲信號的速率控制系統(tǒng)R.Piza,J.Salt,A.Cuenca,V.Casanova

巴倫西亞技術大學，西班牙{rpiza,julian,acuenca,vcasanov}@isa.upv.es摘要：網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設備（控制器，傳感器和執(zhí)行器）共享一個共同的通信介質。由于通信介質會受到外部的干擾，所以這些設備通過共享的通信介質時會被隨意地延遲傳輸。帶寬傳輸能力也是有限的，這也可以隨意地限制我們從控制回路中獲得采樣周期。我們可以依據(jù)高速質的采樣周期來減少信號的延遲并減少一些帶寬。通常這個解決方案能顯著的影響系統(tǒng)的性能。這是因為采樣周期的高速質，閉環(huán)反應能力將會下降。本文提出了一個建議，來解決這些類型的問題。用卡爾曼濾波器，采用多速率過濾器來減少傳輸?shù)囊?。這最終的目標是建立一個系統(tǒng)，并使它盡可能的接近于一個單一的速率系統(tǒng)，從而得到一個起始點和系統(tǒng)參考。在這項工作中，我們的多速率建模方法認為，要在有Profibus-DP和起重機三維平臺的硬件環(huán)境下才能實現(xiàn)實驗結果的成功。我們在檢測控制技術方面有些實驗。其中一些實驗表明，在直接控制起重機的情況下，沒有Profibus-DP總線控制，網(wǎng)絡將無法避免一些信號的延遲和丟失。其它的一些實驗表面在整個硬件平臺中，使用起重機并有現(xiàn)場總線時，網(wǎng)絡可以避免信號的延遲和丟失。一、導言控制系統(tǒng)采用共享通信介質是由于以下的幾個原因。其中一個原因是，需要在硬件平臺減少電纜。另外一個原因是，同樣的信息設備，要能增加多輸入多輸出系統(tǒng)或更多可能性的配置，并讓配置更加容易，還能夠創(chuàng)造更復雜的系統(tǒng)。幾種控制應用中需要共享的通信介質有［6］:遙控操作，監(jiān)控和控制系統(tǒng)。這就是通過共享的網(wǎng)絡而誕生的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)（新的系統(tǒng)）。一般來說，該網(wǎng)絡包括大量線路的減少，因此，體現(xiàn)了較高的維護靈活性和較低的應用成本［15］。由于布線限制了大?。ㄈ绾娇?，生產汽車）或空間分布的限制（如化工廠），讓成本更低和運行更加優(yōu)化簡單，用上述的解決辦法是可取的［4］，［5］。在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)項目中，控制回路及附加裝置有一個共同的通信介質，即信號傳輸之間的發(fā)送者和接收者（通常稱作傳感器控制和控制器執(zhí)行機構）共享的介質。在這些項目中有2種網(wǎng)絡：通用網(wǎng)絡（以太網(wǎng)，RS-232，互聯(lián)網(wǎng)應用等）和工業(yè)網(wǎng)絡（基金會現(xiàn)場總線等）。在第一個情況下，要求很多的數(shù)據(jù)包能在較短的時間內被發(fā)送，然而，在另一個情況下，會有很高的時間限制，并且要求較少的傳輸數(shù)據(jù)包必須包含大量的信息［3］。這項工作將重點放在工業(yè)網(wǎng)絡。以下有幾個共享策略可用：確定一個特定的順序（如現(xiàn)場總線的投票或優(yōu)先順序）或隨機存取。通常，這是已知的協(xié)議來作為網(wǎng)絡協(xié)議本身或最低的階段，它用來調度上一階段或作為用戶控制策略［3］，它將決定如何將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡。在最后的情況，決策可分為：靜態(tài)（如投票）或動態(tài)（如MEF-最大誤差［12］或TOD-TRY-短暫丟失［12］，［13］。在這種情況下，一個新生系統(tǒng)會帶來的三個主要問題［15］，［16］，［3］，［7］，［1］，［10］：圖1.用于開發(fā)實驗的試驗平臺。圖2.硬件配置。?你的數(shù)據(jù)包傳輸時在時間上會延遲。在經(jīng)典的控制系統(tǒng)中計算延遲是永遠存在的。?在網(wǎng)絡化中必須有傳播時間延遲和等待時間延遲還有添加的考慮時間延遲。時間之間的偏移信號是因為不同的設備有不同的起始時間而造成的。在其它控制中，信息包傳不到或傳的太晚而叫做信息的損失（丟包）。?最后一個問題是由于其自身存在的規(guī)模而造成的，我們可以認為它是微不足道的。這個等待的時間延遲是指，通過共享資源的可用數(shù)據(jù)包一直到被發(fā)送的時間延遲。在慮波網(wǎng)絡，這些延遲受多種因素的影響。在某些情況下，由于實際網(wǎng)絡的數(shù)碼性質，他們可以被稱為誘導延遲［9］，具有離散性質和分布性質。?這重要的一點使后來的解釋變得更加詳細。我們可以利用有限的大小，使所有的數(shù)據(jù)量化，上述這種方式，被稱為傳輸信道容量（或帶寬）。考慮到研究的主要方面和重點是有限的傳輸信道能力會有時間延遲，在卡爾曼濾波中提出了一套方案，來使多速率控制系統(tǒng)能夠與延遲丟失的信號沿不同的采樣期間進行控制和管理。比較它們的方法是，要能夠不降低相同的系統(tǒng)性能，并且工作時單一速率高，這樣便足以達到我們所需規(guī)格。二，系統(tǒng)識別和經(jīng)典控制本文開發(fā)了一個從遠程控制站共享網(wǎng)絡控制一臺三電機平臺起重機的控制過程。本文的重點是一個實驗系統(tǒng)，如圖1所示，包括一臺三電機起重機，還有相應的傳動鏈控制位置的平衡機構。如圖2所示為硬件采用總線控制布局。在這項工作中平衡機構的位置已經(jīng)固定，只有X,Y位置還能被控制，使它能夠變化或保持平衡，由此產生的子系統(tǒng)是線性的，并且存在小控制信號的盲區(qū)。不看這個效果時，這個系統(tǒng)連續(xù)模型可以作為設備的顯示。P和U對應的位置和速度在XY軸指出了相應的分指數(shù)和你輸入的值對應的控制信號。由于硬件平臺的這一結構，由此產生的模型裝飾是一種解耦系統(tǒng)。出于這個原因，余下的文章將只集中在第一子系統(tǒng)（X位置）或操縱較短的表達式。該方法可以使受益輕易地擴展到整個系統(tǒng)。我們的最終目標是使用多技術來管理并保持多速率控制系統(tǒng)的延遲信號，并且盡可能多地保持單速率控制回路的行為規(guī)格。首先，設計一個離散的控制系統(tǒng)，使用一個0.1秒的采樣周期，這所獲得的控制器有一定轉讓功能。這個時期的選擇是依據(jù)古典控制標準來決定的。盡管該系統(tǒng)是以機械為基礎的，使用一個緩慢的系統(tǒng)運行任務，這個采樣期完成帶寬環(huán)路限制。傳統(tǒng)的個人電腦控制系統(tǒng)賦予了一個數(shù)據(jù)采集板，所取得的速率控制系統(tǒng)成果如圖3所示，圖4表明系統(tǒng)行為不同于仿真的預期結果。系統(tǒng)響應在新情況下整體出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差。分析系統(tǒng)，其原因是存在一個明顯的死亡地帶。本控制范圍死區(qū)存在于±1之間和土0.08之間。這意味著8%的損失控制范圍。這一影響，系統(tǒng)并不是當小控制信號應用，這原因是有穩(wěn)態(tài)誤差。這里的原因是從不同的仿真實驗獲得的數(shù)據(jù)結果得來的。出現(xiàn)在圖4情況表明，存在死區(qū)的控制信號的死區(qū)越小誤差越小，系統(tǒng)集成的影響消失。為解決這個問題，新的控制器的設計中引入了一個附加的積分器。其目的是讓卡爾曼濾波閉環(huán)槽通過過濾的動態(tài)行為糾正穩(wěn)態(tài)錯誤。圖4顯示系統(tǒng)的行為，3式所描述的是卡爾曼濾波器環(huán)槽的控制。這是第一個實驗，目的是在設計一個標準的卡爾曼濾波器，并有一個起點引進修改的濾波公式。這些修改的重點將是有利于多速率傳輸并減少信號延遲。模擬濾波器如下［2］：荷」笑#巨5:1一荷」笑#巨5:1一gd圖3.單速率控制直接參考信號位置（藍色實線）和輸出位置（紅色虛線）。

圖4.比較實驗數(shù)據(jù)與模擬結果數(shù)據(jù)和模擬結果參考信號（藍色實線），實際位置（紅

色虛線），模擬的位置（綠色虛線）。有不同的元素：?A,B,C,D:空間系統(tǒng)矩陣正常狀態(tài)?r:輸入的噪聲耦合矩陣，通常r=b?Q,R:輸入噪聲方差陣和觀測噪聲方差陣?V,u:測量向量和輸入向量?X：方向向量?p：估計方差矩陣：?k：卡爾曼增益P=A?P?A『+r?Q?「TK\K-1 KK-1IK-1KKKKK=P ?Ct[C?P ?Ct+R]-iKKIK-1KKKIK-1KKPKK=PKIK-1—KK^CK^PKIK-1Xk\k=XkikIKk^[「dk^Uk-Ck^Xkik-1]Xk+1Ik=Ak?Xkik+Bk?UK

RealBfice&liiuaLeas陽怙圖5.Kalman濾波閉合槽控制回路，參考位置（藍色實線），

實際位置（紅色虛線）和模擬位置（綠色虛線）。圖6.控制回路的傳輸延遲，參考（藍色實線），

無輸出濾波（綠色虛線）和過濾器（紅色虛線）。

圖7.控制回路的傳輸延遲，參考位置（藍色實線），無輸出濾波位置（綠色虛線）和過濾器濾波位置（紅色虛線）。圖8.控制回路的傳輸延遲，參考位置（藍色實線），沒有延遲的原始位置（紅色虛線）

和卡爾曼濾波器補償修正延遲后的位置（綠色虛線）。

圖9.多速率控制回路N=3,參考位置（藍色實線），原來的行為位置（紅色虛線）和

多速率濾波器修改后的位置（綠色虛線）。時間偏移的位置（同步）。PKK廣氣"k-1K-1^AK+rK^QKIKk^=pkk1?ck?[Ck?pK|K1?ck+Rk]-iPK疽PKIK-1-KK?CK?PKIK-1XKK=XKK-1*KK^[VKd-DK-d^UK-廣X-/XK-dIK-d]Xk+1IkT^XKIK+BK^UK圖10.多速率控制回路N=5，參考（藍色實線），和輸出（紅色虛線）。

Tf俊圖11.多速率控制回路Tf俊圖11.多速率控制回路N=10，參考位置（藍色實線），輸出位置（紅色虛線）。圖12.協(xié)方差位置演變估計N=1（藍色實線），N=2（綠色實線），N=3（褐色實線），

N=5（青色實線）,N=10（紅色實線）。致謝這項工作是由西班牙語博客協(xié)會的DPI2006-09162和FEDER完成的。參考文獻Casanova,V,Salt,J.,Cuenca,A.andMascarosV現(xiàn)場總線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模擬模型[J],慕尼黑IEEECCA/CACSD/ISIC評估,2006，20(4):7-11Chui,C.K.andChen,G.,Kalman濾波實時應用程序[J],施普林格書本978-0387540139,2001，11(3):37-49Goodwin,G.C.,Quevedo,D.E.andSilva,E.I.,介紹了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[J],亞洲控制會議全體會議講座,2006，10(10):65-73Halevi,Y.andRay,A.,通信與控制系統(tǒng)：部分i-analysis[J],動態(tài)系統(tǒng)測量和控制雜志，1988,110(2):367-373Halevi,Y.andRay,A.,通信與控制系統(tǒng):部分ii-design考慮[J],動態(tài)系統(tǒng)測量和控制雜志，1988,110(10):374-381:6]Kim,W-J.,Ji,K.andAmbike,A.,網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實時運行環(huán)境[J],自動化科學與工程雜志，2006,3(3):287-296Lee,K.C.,Lee,S.andLee,M.H.,網(wǎng)絡控制系統(tǒng)通過PROFIBUS-DP總線的遠程模糊邏輯控制[J],工業(yè)電子學匯刊,2003,50(4):784-792Lee,DandTomizuka,M.,傳感器融合與多速率最優(yōu)狀態(tài)估計[J],美國控制會議，2003,11(20):2887-2892Salt,J.andAlbertos,P.,多控制器設計模型基礎[J],控制系統(tǒng)技術雜志，2005,13(6):988-997[10]]TipsuwanY.andChowM-Y.,網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制方法[J],控制工程實踐，2003,3(11):1099-1111Tornero,J.Piza,R.Albertos,PandSalt,J.,多速率系統(tǒng)控制器進行定位和移動機器人路徑跟蹤[J],智能機器人系統(tǒng)國際會議，2001,44(10)625-630Walsh,G.C.andYe,H.,網(wǎng)絡控制系統(tǒng)[J],控制系統(tǒng)雜志，2001,2(12):57-65Walsh,G.C.,Ye,H.andBushnell,L.G.，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J],控制系統(tǒng)技術匯刊，2002,10(3):438-446Yang,Y.,制造光纖通信時衰減拼接控制系統(tǒng)[J],控制系統(tǒng)技術匯刊，20