应用于现场总线系统的卡尔曼滤波-有延迟信号的速率控制系统R. Pizá, J. Salt, A. Cuenca, V. Casanova巴伦西亚技术大学，西班牙{rpiza，julian，acuenca，vcasanov}@isa.upv.es摘要:网络控制系统设备（控制器，传感器和执行器）共享一个共同的通信介质。

由于通信介质会受到外部的干扰，所以这些设备通过共享的通信介质时会被随意地延迟传输。

带宽传输能力也是有限的，这也可以随意地限制我们从控制回路中获得采样周期。

我们可以依据高速质的采样周期来减少信号的延迟并减少一些带宽。

通常这个解决方案能显著的影响系统的性能。

这是因为采样周期的高速质，闭环反应能力将会下降。

本文提出了一个建议，来解决这些类型的问题。

用卡尔曼滤波器，采用多速率过滤器来减少传输的要求。

这最终的目标是建立一个系统，并使它尽可能的接近于一个单一的速率系统，从而得到一个起始点和系统参考。

在这项工作中，我们的多速率建模方法认为，要在有Profibus-DP和起重机三维平台的硬件环境下才能实现实验结果的成功。

我们在检测控制技术方面有些实验。

其中一些实验表明，在直接控制起重机的情况下，没有Profibus-DP总线控制，网络将无法避免一些信号的延迟和丢失。

其它的一些实验表面在整个硬件平台中，使用起重机并有现场总线时，网络可以避免信号的延迟和丢失。

一、导言控制系统采用共享通信介质是由于以下的几个原因。

其中一个原因是，需要在硬件平台减少电缆。

另外一个原因是，同样的信息设备，要能增加多输入多输出系统或更多可能性的配置，并让配置更加容易，还能够创造更复杂的系统。

几种控制应用中需要共享的通信介质有[ 6]：遥控操作，监控和控制系统。

这就是通过共享的网络而诞生的网络控制系统（新的系统）。

一般来说，该网络包括大量线路的减少，因此，体现了较高的维护灵活性和较低的应用成本[ 15]。

由于布线限制了大小（如航空，生产汽车）或空间分布的限制（如化工厂），让成本更低和运行更加优化简单，用上述的解决办法是可取的[ 4]，[ 5]。

在网络控制系统项目中，控制回路及附加装置有一个共同的通信介质，即信号传输之间的发送者和接收者（通常称作传感器控制和控制器执行机构）共享的介质。

在这些项目中有2种网络：通用网络（以太网，RS - 232，互联网应用等）和工业网络（基金会现场总线等）。

在第一个情况下，要求很多的数据包能在较短的时间内被发送，然而，在另一个情况下，会有很高的时间限制，并且要求较少的传输数据包必须包含大量的信息[ 3]。

这项工作将重点放在工业网络。

以下有几个共享策略可用：确定一个特定的顺序（如现场总线的投票或优先顺序）或随机存取。

通常，这是已知的协议来作为网络协议本身或最低的阶段，它用来调度上一阶段或作为用户控制策略[ 3]，它将决定如何将数据通过网络。

在最后的情况，决策可分为：静态（如投票）或动态（如MEF-最大误差 [ 12 ]或TOD-TRY-短暂丢失 [ 12]，[ 13]。

在这种情况下，一个新生系统会带来的三个主要问题[ 15]，[ 16]， [ 3]，[ 7]，[ 1]，[ 10]：图1.用于开发实验的试验平台。

图2.硬件配置。

•你的数据包传输时在时间上会延迟。

在经典的控制系统中计算延迟是永远存在的。

•在网络化中必须有传播时间延迟和等待时间延迟还有添加的考虑时间延迟。

时间之间的偏移信号是因为不同的设备有不同的起始时间而造成的。

在其它控制中，信息包传不到或传的太晚而叫做信息的损失（丢包）。

•最后一个问题是由于其自身存在的规模而造成的，我们可以认为它是微不足道的。

这个等待的时间延迟是指，通过共享资源的可用数据包一直到被发送的时间延迟。

在虑波网络，这些延迟受多种因素的影响。

在某些情况下，由于实际网络的数码性质，他们可以被称为诱导延迟[ 9 ]，具有离散性质和分布性质。

•这重要的一点使后来的解释变得更加详细。

我们可以利用有限的大小，使所有的数据量化，上述这种方式，被称为传输信道容量（或带宽）。

考虑到研究的主要方面和重点是有限的传输信道能力会有时间延迟，在卡尔曼滤波中提出了一套方案，来使多速率控制系统能够与延迟丢失的信号沿不同的采样期间进行控制和管理。

比较它们的方法是，要能够不降低相同的系统性能，并且工作时单一速率高，这样便足以达到我们所需规格。

二，系统识别和经典控制本文开发了一个从远程控制站共享网络控制一台三电机平台起重机的控制过程。

本文的重点是一个实验系统，如图1所示，包括一台三电机起重机，还有相应的传动链控制位置的平衡机构。

如图2所示为硬件采用总线控制布局。

在这项工作中平衡机构的位置已经固定，只有X,Y位置还能被控制，使它能够变化或保持平衡，由此产生的子系统是线性的，并且存在小控制信号的盲区。

不看这个效果时，这个系统连续模型可以作为设备的显示。

1. P和U对应的位置和速度在XY轴指出了相应的分指数和你输入的值对应的控制信号。

由于硬件平台的这一结构，由此产生的模型装饰是一种解耦系统。

出于这个原因，余下的文章将只集中在第一子系统（×位置）或操纵较短的表达式。

该方法可以使受益轻易地扩展到整个系统。

我们的最终目标是使用多技术来管理并保持多速率控制系统的延迟信号，并且尽可能多地保持单速率控制回路的行为规格。

首先，设计一个离散的控制系统，使用一个0.1秒的采样周期，这所获得的控制器有一定转让功能。

2.这个时期的选择是依据古典控制标准来决定的。

尽管该系统是以机械为基础的，使用一个缓慢的系统运行任务，这个采样期完成带宽环路限制。

传统的个人电脑控制系统赋予了一个数据采集板，所取得的速率控制系统成果如图3所示，图4表明系统行为不同于仿真的预期结果。

系统响应在新情况下整体出现稳态误差。

分析系统，其原因是存在一个明显的死亡地带。

本控制范围死区存在于±1之间和±0.08之间。

这意味着8%的损失控制范围。

这一影响，系统并不是当小控制信号应用，这原因是有稳态误差。

这里的原因是从不同的仿真实验获得的数据结果得来的。

出现在图4情况表明，存在死区的控制信号的死区越小误差越小，系统集成的影响消失。

为解决这个问题，新的控制器的设计中引入了一个附加的积分器。

其目的是让卡尔曼滤波闭环槽通过过滤的动态行为纠正稳态错误。

图4显示系统的行为， 3式所描述的是卡尔曼滤波器环槽的控制。

这是第一个实验，目的是在设计一个标准的卡尔曼滤波器，并有一个起点引进修改的滤波公式。

这些修改的重点将是有利于多速率传输并减少信号延迟。

模拟滤波器如下[ 2]：图3.单速率控制直接参考信号位置（蓝色实线）和输出位置（红色虚线）。

图4.比较实验数据与模拟结果数据和模拟结果参考信号（蓝色实线），实际位置（红色虚线），模拟的位置（绿色虚线）。

有不同的元素：•A,B,C,D ：空间系统矩阵正常状态•Г：输入的噪声耦合矩阵，通常Г=b•Q,R ：输入噪声方差阵和观测噪声方差阵•V,u ：测量向量和输入向量•×：方向向量•p ：估计方差矩阵：•k ：卡尔曼增益T K K K TK K K K K K Q A P A P Γ∙∙Γ+∙∙=---1|11| 11|1|][---+∙∙∙=K T K K K K T K K K K R C P C C P K1|1||--∙∙-=K K K K K K K K P C K P P][1|1||--∙-∙-∙+=K K K K K K K K K K K X C u D V K X XK K K K K K K u B X A X ∙+∙=+||1图5.Kal man滤波闭合槽控制回路，参考位置（蓝色实线），实际位置（红色虚线）和模拟位置（绿色虚线）。

图6.控制回路的传输延迟，参考（蓝色实线），无输出滤波（绿色虚线）和过滤器（红色虚线）。

图7.控制回路的传输延迟，参考位置（蓝色实线），无输出滤波位置（绿色虚线）和过滤器滤波位置（红色虚线）。

图8.控制回路的传输延迟，参考位置（蓝色实线），没有延迟的原始位置（红色虚线）和卡尔曼滤波器补偿修正延迟后的位置（绿色虚线）。

图9.多速率控制回路N=3，参考位置（蓝色实线），原来的行为位置（红色虚线）和多速率滤波器修改后的位置（绿色虚线）。

时间偏移的位置（同步）。

T K K K T K K K K K K Q A P A P Γ∙∙Γ+∙∙=---1|11|11|1|][---+∙∙∙∙=K T K K K K T K K K K R C P C C P K 1|1||--∙∙-=K K K K K K K K P C K P P][|1||d K d K d K d K d K Kd K K K K K X C u D V K X X ------∙-∙-∙+= K K K K K K K u B X A X ∙+∙=+||1图10.多速率控制回路N=5，参考（蓝色实线），和输出（红色虚线）。

图11.多速率控制回路N=10，参考位置（蓝色实线），输出位置（红色虚线）。

图12.协方差位置演变估计N=1（蓝色实线），N=2（绿色实线），N=3（褐色实线），N=5（青色实线）,N=10（红色实线）。

致谢这项工作是由西班牙语博客协会的DPI2006-09162和FEDER完成的。

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