調(diào)速控制外文翻譯

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

巴倫西亞技術(shù)大學(xué)，西班牙{rpiza,julian,acuenca,vcasanov}@isa.upv.es摘要：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備（控制器，傳感器和執(zhí)行器）共享一個(gè)共同的通信介質(zhì)。由于通信介質(zhì)會(huì)受到外部的干擾，所以這些設(shè)備通過(guò)共享的通信介質(zhì)時(shí)會(huì)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(zhì)的采樣周期來(lái)減少信號(hào)的延遲并減少一些帶寬。通常這個(gè)解決方案能顯著的影響系統(tǒng)的性能。這是因?yàn)椴蓸又芷诘母咚儋|(zhì)，閉環(huán)反應(yīng)能力將會(huì)下降。本文提出了一個(gè)建議，來(lái)解決這些類(lèi)型的問(wèn)題。用卡爾曼濾波器，采用多速率過(guò)濾器來(lái)減少傳輸?shù)囊?。這最終的目標(biāo)是建立一個(gè)系統(tǒng)，并使它盡可能的接近于一個(gè)單一的速率系統(tǒng)，從而得到一個(gè)起始點(diǎn)和系統(tǒng)參考。在這項(xiàng)工作中，我們的多速率建模方法認(rèn)為，要在有Profibus-DP和起重機(jī)三維平臺(tái)的硬件環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成功。我們?cè)跈z測(cè)控制技術(shù)方面有些實(shí)驗(yàn)。其中一些實(shí)驗(yàn)表明，在直接控制起重機(jī)的情況下，沒(méi)有Profibus-DP總線控制，網(wǎng)絡(luò)將無(wú)法避免一些信號(hào)的延遲和丟失。其它的一些實(shí)驗(yàn)表面在整個(gè)硬件平臺(tái)中，使用起重機(jī)并有現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以避免信號(hào)的延遲和丟失。一、導(dǎo)言控制系統(tǒng)采用共享通信介質(zhì)是由于以下的幾個(gè)原因。其中一個(gè)原因是，需要在硬件平臺(tái)減少電纜。另外一個(gè)原因是，同樣的信息設(shè)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(fù)雜的系統(tǒng)。幾種控制應(yīng)用中需要共享的通信介質(zhì)有［6］:遙控操作，監(jiān)控和控制系統(tǒng)。這就是通過(guò)共享的網(wǎng)絡(luò)而誕生的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（新的系統(tǒng)）。一般來(lái)說(shuō)，該網(wǎng)絡(luò)包括大量線路的減少，因此，體現(xiàn)了較高的維護(hù)靈活性和較低的應(yīng)用成本［15］。由于布線限制了大?。ㄈ绾娇?，生產(chǎn)汽車(chē)）或空間分布的限制（如化工廠），讓成本更低和運(yùn)行更加優(yōu)化簡(jiǎn)單，用上述的解決辦法是可取的［4］，［5］。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)項(xiàng)目中，控制回路及附加裝置有一個(gè)共同的通信介質(zhì)，即信號(hào)傳輸之間的發(fā)送者和接收者（通常稱(chēng)作傳感器控制和控制器執(zhí)行機(jī)構(gòu)）共享的介質(zhì)。在這些項(xiàng)目中有2種網(wǎng)絡(luò)：通用網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)，RS-232，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等）和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線等）。在第一個(gè)情況下，要求很多的數(shù)據(jù)包能在較短的時(shí)間內(nèi)被發(fā)送，然而，在另一個(gè)情況下，會(huì)有很高的時(shí)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(xiàng)工作將重點(diǎn)放在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。以下有幾個(gè)共享策略可用：確定一個(gè)特定的順序（如現(xiàn)場(chǎng)總線的投票或優(yōu)先順序）或隨機(jī)存取。通常，這是已知的協(xié)議來(lái)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身或最低的階段，它用來(lái)調(diào)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(guò)網(wǎng)絡(luò)。在最后的情況，決策可分為：靜態(tài)（如投票）或動(dòng)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(gè)新生系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)的三個(gè)主要問(wèn)題［15］，［16］，［3］，［7］，［1］，［10］：圖1.用于開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的試驗(yàn)平臺(tái)。圖2.硬件配置。?你的數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)在時(shí)間上會(huì)延遲。在經(jīng)典的控制系統(tǒng)中計(jì)算延遲是永遠(yuǎn)存在的。?在網(wǎng)絡(luò)化中必須有傳播時(shí)間延遲和等待時(shí)間延遲還有添加的考慮時(shí)間延遲。時(shí)間之間的偏移信號(hào)是因?yàn)椴煌脑O(shè)備有不同的起始時(shí)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(gè)問(wèn)題是由于其自身存在的規(guī)模而造成的，我們可以認(rèn)為它是微不足道的。這個(gè)等待的時(shí)間延遲是指，通過(guò)共享資源的可用數(shù)據(jù)包一直到被發(fā)送的時(shí)間延遲。在慮波網(wǎng)絡(luò)，這些延遲受多種因素的影響。在某些情況下，由于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的數(shù)碼性質(zhì)，他們可以被稱(chēng)為誘導(dǎo)延遲［9］，具有離散性質(zhì)和分布性質(zhì)。?這重要的一點(diǎn)使后來(lái)的解釋變得更加詳細(xì)。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(chēng)為傳輸信道容量（或帶寬）?？紤]到研究的主要方面和重點(diǎn)是有限的傳輸信道能力會(huì)有時(shí)間延遲，在卡爾曼濾波中提出了一套方案，來(lái)使多速率控制系統(tǒng)能夠與延遲丟失的信號(hào)沿不同的采樣期間進(jìn)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(shí)單一速率高，這樣便足以達(dá)到我們所需規(guī)格。二，系統(tǒng)識(shí)別和經(jīng)典控制本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)從遠(yuǎn)程控制站共享網(wǎng)絡(luò)控制一臺(tái)三電機(jī)平臺(tái)起重機(jī)的控制過(guò)程。本文的重點(diǎn)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示，包括一臺(tái)三電機(jī)起重機(jī)，還有相應(yīng)的傳動(dòng)鏈控制位置的平衡機(jī)構(gòu)。如圖2所示為硬件采用總線控制布局。在這項(xiàng)工作中平衡機(jī)構(gòu)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(chǎn)生的子系統(tǒng)是線性的，并且存在小控制信號(hào)的盲區(qū)。不看這個(gè)效果時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)連續(xù)模型可以作為設(shè)備的顯示。P和U對(duì)應(yīng)的位置和速度在XY軸指出了相應(yīng)的分指數(shù)和你輸入的值對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)。由于硬件平臺(tái)的這一結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生的模型裝飾是一種解耦系統(tǒng)。出于這個(gè)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(dá)式。該方法可以使受益輕易地?cái)U(kuò)展到整個(gè)系統(tǒng)。我們的最終目標(biāo)是使用多技術(shù)來(lái)管理并保持多速率控制系統(tǒng)的延遲信號(hào)，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(shè)計(jì)一個(gè)離散的控制系統(tǒng)，使用一個(gè)0.1秒的采樣周期，這所獲得的控制器有一定轉(zhuǎn)讓功能。這個(gè)時(shí)期的選擇是依據(jù)古典控制標(biāo)準(zhǔn)來(lái)決定的。盡管該系統(tǒng)是以機(jī)械為基礎(chǔ)的，使用一個(gè)緩慢的系統(tǒng)運(yùn)行任務(wù)，這個(gè)采樣期完成帶寬環(huán)路限制。傳統(tǒng)的個(gè)人電腦控制系統(tǒng)賦予了一個(gè)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(yù)期結(jié)果。系統(tǒng)響應(yīng)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(gè)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(dāng)小控制信號(hào)應(yīng)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(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果得來(lái)的。出現(xiàn)在圖4情況表明，存在死區(qū)的控制信號(hào)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(gè)問(wèn)題，新的控制器的設(shè)計(jì)中引入了一個(gè)附加的積分器。其目的是讓卡爾曼濾波閉環(huán)槽通過(guò)過(guò)濾的動(dòng)態(tài)行為糾正穩(wěn)態(tài)錯(cuò)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(gè)實(shí)驗(yàn)，目的是在設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的卡爾曼濾波器，并有一個(gè)起點(diǎn)引進(jìn)修改的濾波公式。這些修改的重點(diǎn)將是有利于多速率傳輸并減少信號(hào)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(hào)位置（藍(lán)色實(shí)線）和輸出位置（紅色虛線）。

圖4.比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果參考信號(hào)（藍(lán)色實(shí)線），實(shí)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(cè)噪聲方差陣?V,u:測(cè)量向量和輸入向量?X：方向向量?p：估計(jì)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(yáng)怙圖5.Kalman濾波閉合槽控制回路，參考位置（藍(lán)色實(shí)線），

實(shí)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(lán)色實(shí)線），

無(wú)輸出濾波（綠色虛線）和過(guò)濾器（紅色虛線）。

圖7.控制回路的傳輸延遲，參考位置（藍(lán)色實(shí)線），無(wú)輸出濾波位置（綠色虛線）和過(guò)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(lán)色實(shí)線），沒(méi)有延遲的原始位置（紅色虛線）

和卡爾曼濾波器補(bǔ)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(lán)色實(shí)線），原來(lái)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(shí)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(lán)色實(shí)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(lán)色實(shí)線），輸出位置（紅色虛線）。圖12.協(xié)方差位置演變估計(jì)N=1（藍(lán)色實(shí)線），N=2（綠色實(shí)線），N=3（褐色實(shí)線），

N=5（青色實(shí)線）,N=10（紅色實(shí)線）。致謝這項(xiàng)工作是由西班牙語(yǔ)博客協(xié)會(huì)的DPI2006-09162和FEDER完成的。參考文獻(xiàn)Casanova,V,Salt,J.,Cuenca,A.andMascarosV現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模擬模型[J],慕尼黑IEEECCA/CACSD/ISIC評(píng)估,2006，20(4):7-11Chui,C.K.andChen,G.,Kalman濾波實(shí)時(shí)應(yīng)用程序[J],施普林格書(shū)本978-0387540139,2001，11(3):37-49Goodwin,G.C.,Quevedo,D.E.andSilva,E.I.,介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[J],亞洲控制會(huì)議全體會(huì)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)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(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)量和控制雜志，1988,110(10):374-381:6]Kim,W-J.,Ji,K.andAmbike,A.,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境[J],自動(dòng)化科學(xué)與工程雜志，2006,3(3):287-296Lee,K.C.,Lee,S.andLee,M.H.,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過(guò)PROFIBUS-DP總線的遠(yuǎn)程模糊邏輯控制[J],工業(yè)電子學(xué)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(jì)[J],美國(guó)控制會(huì)議，2003,11(20):2887-2892Salt,J.andAlbertos,P.,多控制器設(shè)計(jì)模型基礎(chǔ)[J],控制系統(tǒng)技術(shù)雜志，2005,13(6):988-997[10]]TipsuwanY.andChowM-Y.,網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制方法[J],控制工程實(shí)踐，2003,3(11):1099-1111Tornero,J.Piza,R.Albertos,PandSalt,J.,多速率系統(tǒng)控制器進(jìn)行定位和移動(dòng)機(jī)器人路徑跟蹤[J],智能機(jī)器人系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議，2001,44(10)625-630Walsh,G.C.andYe,H.,網(wǎng)絡(luò)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(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J],控制系統(tǒng)技術(shù)匯刊，2002,10(3):438-446Yang,Y.,制造光纖通信時(shí)衰減拼接控制系統(tǒng)[J],控制系統(tǒng)技術(shù)匯刊，20