一种二输入二输出网络控制系统时延补偿与IMC方法技术方案

二输入二输出网络控制系统时延补偿与IMC方法，属于带宽资源有限的MIMO‑NCS技术领域。针对一种TITO‑NCS中，二输入二输出信号之间相互影响，由于网络数据在节点之间传输所产生的网络时延，不仅影响其自身闭环控制回路稳定性，而且还将影响另一闭环控制回路稳定性，甚至导致TITO‑NCS失去稳定性的问题，提出以TITO‑NCS中所有真实节点之间的网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型，并对两回路实施动态前馈加IMC，采用本发明专利技术方法可免除对节点之间网络时延的测量、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求，降低网络时延对TITO‑NCS稳定性影响，改善系统控制性能质量。

Time delay compensation and IMC method for networked control systems with two inputs and two outputs

The control system with delay compensation IMC method two input two output network, which belongs to the technical field of MIMO NCS bandwidth limited. According to a TITO NCS, the mutual influence between the two input and two output signals, due to network delay generated in the network data transmission between nodes, not only affects the stability of its own control loop, but will also affect the stability of a closed-loop control circuit, and even lead to TITO NCS lost stability problem, put forward to the network all data between the real node TITO NCS transmission process, which replace the network delay compensation model, and the two circuit implementation of dynamic feedforward IMC, adopting the method of the invention can avoid the network delay between nodes of measurement and estimation or identification, exempt from the requirement to node synchronous clock signal, to reduce the impact of network delay on TITO the stability of NCS, improve the control performance of the quality system.

【技术实现步骤摘要】
一种二输入二输出网络控制系统时延补偿与IMC方法
一种二输入二输出网络控制系统时延补偿与IMC(InternalModelControl)方法，涉及自动控制技术，网络通信技术和计算机技术的交叉领域，尤其涉及带宽资源有限的多输入多输出网络控制系统

技术介绍
随着网络通信、计算机和控制技术的发展，以及生产过程控制日益大型化、广域化、复杂化及网络化的发展，越来越多的网络技术应用于控制系统。网络控制系统(Networkedcontrolsystems，NCS)是指基于网络的实时闭环反馈控制系统，NCS的典型结构如图1所示。NCS可实现复杂大系统及远程控制，节点资源共享，增加系统的柔性和可靠性，近年来已被广泛应用于复杂工业过程控制、电力系统、石油化工、轨道交通、航空航天、环境监测等多个领域。在NCS中，当传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时，网络可能存在多包传输、多路径传输、数据碰撞，网络拥塞甚至连接中断等现象，使得NCS面临诸多新的挑战。尤其是网络时延的存在，可降低NCS的控制质量，甚至使系统失去稳定性，严重时可能导致系统出现故障。目前，国内外对于NCS的研究，主要是针对单输入单输出(Single-inputandsingle-output，SISO)网络控制系统，分别在网络时延恒定、未知或随机，网络时延小于一个采样周期或大于一个采样周期，单包传输或多包传输，有无数据包丢失等情况下，对其进行数学建模或稳定性分析与控制。但是，针对实际工业过程中，普遍存在的至少包含两个输入与两个输出(Two-inputandtwo-output，TITO)所构成的多输入多输出(Multiple-inputandmultiple-output，MIMO)网络控制系统的研究则相对较少，尤其是针对基于其系统结构的时延补偿方法的研究成果则相对更少。MIMO-NCS的典型结构如图2所示。与SISO-NCS相比，MIMO-NCS具有以下特点：(1)输入信号与输出信号之间彼此影响并可能产生耦合作用在MIMO-NCS中，一个输入信号的变化可以使得多个输出信号发生变化，而各个输出信号也不只受到一个输入信号的影响。即使输入与输出信号之间经过精心选择配对，各控制回路之间也难免存在着相互影响，因而要使输出信号独立地跟踪各自的输入信号是有困难的。(2)内部结构要比SISO-NCS复杂得多(3)被控对象存在不确定性的因素较多在MIMO-NCS中，涉及的参数较多，各控制回路间的联系较多，被控对象参数变化对整体控制性能的影响会变得较为复杂。(4)控制部件失效的可能性较大在MIMO-NCS中，至少包含有两个或两个以上的闭环控制回路，并且至少包含有两个或两个以上的传感器和执行器。每一个元件的失效都可能影响整个控制系统的性能质量，严重时会使系统不稳定，甚至造成重大事故。由于MIMO-NCS的上述特殊性，使得基于SISO-NCS进行设计与控制的方法，已无法满足MIMO-NCS的控制性能与控制质量的要求，使其不能或不能直接应用于MIMO-NCS的设计与控制中，给MIMO-NCS的设计与分析带来了困难。对于MIMO-NCS，网络时延补偿与控制的难点主要在于：(1)由于网络时延与网络拓扑结构、通信协议、网络负载、网络带宽和数据包大小等因素有关，对大于数个乃至数十个采样周期的网络时延，要建立MIMO-NCS中各个控制回路的网络时延准确的预测、估计或辨识的数学模型，目前是有困难的。(2)发生在MIMO-NCS中，前一个节点向后一个节点传输网络数据过程中的网络时延，在前一个节点中无论采用何种预测或估计方法，都不可能事先提前知道其后产生的网络时延的准确值。时延导致系统性能下降甚至造成系统不稳定，同时也给控制系统的分析与设计带来了困难。(3)要满足MIMO-NCS中，不同分布地点的所有节点时钟信号完全同步是不现实的。(4)由于MIMO-NCS中，输入与输出信号之间彼此影响，并可能产生耦合作用，系统内部的结构比SISO-NCS复杂，存在的不确定性因素较多，各控制回路的控制性能质量优劣与其稳定性问题将对整个系统的性能质量与稳定性产生影响和制约，其实施时延补偿与控制要比SISO-NCS困难得多。
技术实现思路
本专利技术涉及MIMO-NCS中的一种二输入二输出网络控制系统(TITO-NCS)网络时延的补偿与控制，其TITO-NCS的典型结构如图3所示。针对图3中的闭环控制回路1：1)从输入信号x1(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：式中：C1(s)是控制器，G11(s)是被控对象；τ1表示将控制信号u1(s)从C1(s)控制器所在的C1节点，经前向网络通路传输到执行器A1节点所经历的网络时延；τ2表示将输出信号y1(s)从传感器S1节点，经反馈网络通路传输到C1(s)控制器所在的C1节点所经历的网络时延。2)来自闭环控制回路2执行器A2节点输出的驱动信号u2(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G12(s)影响闭环控制回路1的输出信号y1(s)，从输入信号u2(s)到输出信号y1(s)之间闭环传递函数为：上述闭环传递函数等式(1)和(2)的分母中，包含了网络时延τ1和τ2的指数项和时延的存在将恶化控制系统的性能质量，甚至导致系统失去稳定性。针对图3中的闭环控制回路2：1)从输入信号x2(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：式中：C2(s)是控制器，G22(s)是被控对象；τ3表示将控制信号u2(s)从C2(s)控制器所在的C2节点，经前向网络通路传输到执行器A2节点所经历的网络时延；τ4表示将输出信号y2(s)从传感器S2节点，经反馈网络通路传输到C2(s)控制器所在的C2节点所经历的网络时延。2)来自闭环控制回路1执行器A1节点输出的驱动信号u1(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G21(s)影响闭环控制回路2的输出信号y2(s)，从输入信号u1(s)到输出信号y2(s)之间闭环传递函数为：上述闭环传递函数等式(3)和(4)的分母中，包含了网络时延τ3和τ4的指数项和时延的存在将恶化控制系统的性能质量，甚至导致系统失去稳定性。专利技术目的：针对图3的TITO-NCS，其闭环控制回路1的传递函数等式(1)和(2)的分母中，均包含了网络时延τ1和τ2的指数项和以及闭环控制回路2的传递函数等式(3)和(4)的分母中，均包含了网络时延τ3和τ4的指数项和由于闭环控制回路1的输出信号y1(s)不仅受到其输入信号x1(s)的影响，同时还受到闭环控制回路2的输入信号x2(s)的影响；与此同时，闭环控制回路2的输出信号y2(s)不仅受到其输入信号x2(s)的影响，同时也受到闭环控制回路1的输入信号x1(s)的影响。网络时延的存在会降低各自闭环控制回路的控制性能质量并影响各自闭环控制回路的稳定性，同时也将降低整个系统的控制性能质量并影响整个系统的稳定性，严重时将导致整个系统失去稳定性。为此，针对图3中的闭环控制回路1和控制回路2：本专利技术提出一种基于动态前馈加IMC的时延补偿方法，构成两闭环控制回路网络时延的补偿与IMC，用于免除对各闭环控制回路中，节点之间网络时延的测量、估计或辨识，进而降低网络时延τ1和τ2，以及τ3和τ4对各自闭环控制回路以及对整个控制系统控制性能质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二输入二输出网络控制系统时延补偿与IMC方法，其特征在于该方法包括以下步骤：对于闭环控制回路1：(1).当传感器S1节点被周期为h

【技术特征摘要】
1.一种二输入二输出网络控制系统时延补偿与IMC方法，其特征在于该方法包括以下步骤：对于闭环控制回路1：(1).当传感器S1节点被周期为h1的采样信号触发时，将采用方式A进行工作；(2).当控制器C1节点被反馈信号y1b(s)触发时，将采用方式B进行工作；(3).当执行器A1节点被IMC信号u1(s)触发时，将采用方式C进行工作；对于闭环控制回路2：(4).当传感器S2节点被周期为h2的采样信号触发时，将采用方式D进行工作；(5).当控制器C2节点被反馈信号y2(s)触发时，将采用方式E进行工作；(6).当执行器A2节点被IMC信号u2(s)触发时，将采用方式F进行工作；方式A的步骤包括：A1：传感器S1节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期h1的采样信号；A2：传感器S1节点被触发后，对被控对象G11(s)的输出信号y11(s)和被控对象交叉通道传递函数G12(s)的输出信号y12(s)，以及执行器A1节点的输出信号y11mb(s)进行采样，并计算出闭环控制回路1的系统输出信号y1(s)和反馈信号y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)-y11mb(s)；A3：将反馈信号y1b(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制器C1节点传输，反馈信号y1b(s)将经历网络传输时延τ2后，才能到达控制器C1节点；方式B的步骤包括：B1：控制器C1节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y1b(s)所触发；B2：在控制器C1节点中，将闭环控制回路1的系统给定信号x1(s)，减去反馈信号y1b(s)得到偏差信号e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)；B3：对e1(s)实施内模控制算法C1IMC(s)，得到IMC信号u1(s)；B4：将IMC信号u1(s)通过闭环控制回路1的前向网络通路单元向执行器A1节点传输，u1(s)将经历网络传输时延τ1后，才能到达执行器A1节点；方式C的步骤包括：C1：执行器A1节点工作于事件驱动方式，被IMC信号u1(s)所触发；C2：在执行器A1节点中，将IMC信号u1(s)作用于被控对象预估模型G11m(s)得到其输出值y11mb(s)；将来自于闭环控制回路2执行器A2节点的信号u2p(s)作用于动态前馈控制器D12(s)得到其输出值ud12(s)；将IMC信号u1(s)与ud12(s)相减得执行器A1节点输出信号u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-ud12(s)；C3：将信号u1p(s)作用于被控对象G11(s)得到其输出值y11(s)；将信号u1p(s)作用于被控对象交叉通道传递函数G21(s)得到其输出值y21(s)；从而实现对被控对象G11(s)和G21(s)的动态前馈控制和IMC，同时实现对网络时延τ1和τ2的补偿与控制；方式D的步骤包括：D1：传感器S2节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期h2的采样信号；D2：传感器S2节点被触发后...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜锋，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：海南,46