一种SPC与二自由度IMC的TITO‑NDCS时变网络时延补偿方法技术

SPC与二自由度IMC的TITO‑NDCS时变网络时延补偿方法，属于带宽资源有限的MIMO‑NDCS技术领域。针对一种两输入两输出信号之间彼此影响并耦合，需要通过解耦处理的TITO‑NDCS，由于网络数据在节点之间传输所产生的网络时延，不仅影响各自闭环控制回路的稳定性，而且还将影响整个系统的稳定性，甚至导致TITO‑NDCS失去稳定的问题，提出以TITO‑NDCS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，并对两回路分别实施SPC和二自由度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要求，降低时变网络时延对TITO‑NDCS稳定性影响，改善系统控制性能质量。

【技术实现步骤摘要】
一种SPC与二自由度IMC的TITO-NDCS时变网络时延补偿方法
一种SPC(Smithpredictorcontrol，SPC)与二自由度IMC(Internalmodelcontrol，IMC)的TITO(Two-inputandtwo-output，TITO)-NDCS(Networkeddecouplingcontrolsystems，NDCS)时变网络时延补偿方法，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解耦控制系统

技术介绍
在分布式控制系统中，传感器与控制器、控制器与执行器之间，通过实时通信网络构成的闭环反馈控制系统，称为网络控制系统(Networkedcontrolsystems，NCS)，NCS的典型结构如图1所示。NCS与传统的点对点结构的控制系统相比，可实现资源共享、远程操作与控制、具有极高的诊断能力、安装与维护简便、增加了系统的灵活性和可靠性等诸多优点。远程遥操作、遥医学、远程教学、无线网络机器人、某些兵器系统以及新兴的以现场总线及工业以太网为基础的控制系统均属于NCS的范畴，此外，NCS在航空航天领域以及复杂、危险的工业控制领域也有广阔的应用，对其研究正成为国际学术界的一个热点课题。在NCS中，由于网络时延、数据丢包以及网络拥塞等现象的存在，使得NCS面临诸多新的挑战。当NCS的传感器、控制器和执行器之间通过网络交换数据时，必然会导致网络时延，从而会降低系统的性能甚至引起系统的不稳定。由于网络中的信息源很多，传输数据流经众多计算机和通讯设备且路径非唯一；或由于网络带宽的限制以及传输机制的影响，网络拥塞或连接中断等原因，将导致网络数据包的时序错乱和数据包的丢失。虽然时延系统的分析和建模近年来已取得很大进展，但NCS中可能存在多种不同性质的时延(常数、有界、随机、时变等)，使得现有的方法一般不能直接应用。传统的控制理论在对系统进行分析和设计时，往往做了很多理想化的假定，如单率采样、同步控制、无时延传输和调节。而在NCS中，由于控制回路存在网络，上述假设通常是不成立的，因此传统控制理论都要重新评估才能应用到NCS中。目前，国内外关于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，分别在网络时延已知、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。但针对实际工业过程中，普遍存在的至少包含两个输入输出(Two-inputandtwo-output，TITO)的控制系统，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，尤其是针对输入与输出信号之间，存在耦合作用需要通过解耦处理的多输入多输出网络解耦控制系统时延补偿与控制的研究成果则相对更少。MIMO-NDCS的典型结构如图2所示。与SISO-NCS相比，MIMO-NDCS具有以下特点：(1)输入信号与输出信号之间彼此影响并存在耦合作用在存在耦合作用的MIMO-NCS中，一个输入信号的变化将会使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。MIMO-NDCS中的解耦器，用于解除或降低多输入多输出信号之间的耦合作用。(2)内部结构比SISO-NCS和MIMO-NCS要复杂得多(3)被控对象可能存在不确定性因素在MIMO-NDCS中，涉及的参数较多，各控制回路间的联系较多，参数变动对整体控制效果的影响会变得很复杂。(4)控制部件失效在MIMO-NDCS中，至少包含有两个或两个以上的闭环控制回路，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，严重时会使控制系统不稳定，甚至造成重大事故。由于MIMO-NDCS的上述特殊性，使得大部分基于SISO-NCS进行设计与控制的方法，已无法满足MIMO-NDCS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-NDCS的设计与分析中，给MIMO-NDCS的控制与设计带来了一定的困难。对于MIMO-NDCS，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时变性网络时延，要建立MIMO-NDCS中各个控制回路的时变性网络时延准确的预测、估计或辨识的数学模型，目前几乎是不可能的。(2)发生在MIMO-NDCS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困难。(3)要满足MIMO-NDCS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，输入与输出之间彼此影响，并存在耦合作用，其MIMO-NDCS的内部结构要比MIMO-NCS和SISO-NCS复杂，可能存在的不确定性因素较多，对MIMO-NDCS实施时延补偿与控制要比MIMO-NCS和SISO-NCS困难得多。
技术实现思路
本专利技术涉及MIMO-NDCS中的一种两输入两输出网络解耦控制系统(TITO-NDCS)时变时延的补偿与控制，其TITO-NDCS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表示将控制器C节点的输出信号u1(s)，经前向网络通路传输到解耦执行器DA1节点所经历的时变网络时延；τ2表示将传感器S1节点的输出信号y1(s)，经反馈网络通路传输到控制器C节点所经历的时变网络时延。2)来自闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦控制信号up2(s)，通过交叉解耦通路传递函数P12(s)和被控对象交叉通路传递函数G12(s)作用于闭环控制回路1，从输入信号up2(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：上述闭环传递函数等式(1)和(2)的分母中，包含了时变网络时延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表示将控制器C节点的控制输出信号u2(s)，经前向网络通路传输到解耦执行器DA2节点所经历的时变网络时延；τ4表示将传感器S2节点的输出信号y2(s)，经反馈网络通路传输到控制器C节点所经历的时变网络时延。2)来自闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦控制信号up1(s)，通过交叉解耦通路传递函数P21(s)和被控对象交叉通路传递函数G21(s)作用于闭环控制回路2，从输入信号up1(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种SPC与二自由度IMC的TITO‑NDCS时变网络时延补偿方法，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SPC与二自由度IMC的TITO-NDCS时变网络时延补偿方法，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).当控制预解耦器CPD节点被反馈信号y1b(s)触发时，将采用方式B进行工作；(3).当解耦执行器DA1节点被控制信号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).当控制预解耦器CPD节点被反馈信号y2b(s)触发时，将采用方式E进行工作；(6).当解耦执行器DA2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)，以及解耦执行器DA1节点的输出信号y11mb(s)和y12mb(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)-y12mb(s)；A3：传感器S1节点将反馈信号y1b(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制预解耦器CPD节点传输，反馈信号y1b(s)将经历网络传输时延τ2后，才能到达控制预解耦器CPD节点；方式B的步骤包括：B1：控制预解耦器CPD节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y1b(s)所触发；B2：在控制预解耦器CPD节点中，将闭环控制回路1的系统给定信号x1(s)与反馈信号y1b(s)和被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)的输出值y12ma(s)以及被控对象预估模型G11m(s)的输出值y11ma(s)相减，得到系统偏差信号e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y12ma(s)-y11ma(s)；B3：对e1(s)实施控制算法C1(s)，得到控制信号u1(s)；B4：将控制信号u1(s)与预解耦交叉通道传递函数P12m(s)的输出信号yp12m(s)相减，得到预解耦信号up1m(s)，即up1m(s)＝u1(s)-yp12m(s)；将up1m(s)作用于被控对象预估模型G11m(s)得到其输出值y11ma(s)；B5：将来自控制预解耦器CPD节点闭环控制回路2中的预解耦信号up2m(s)作用于闭环控制回路1的被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)得到其输出信号y12ma(s)；将预解耦信号up2m(s)作用于交叉解耦通道传递函数预估模型P12m(s)得到其输出信号yp12m(s)；B6：将控制信号u1(s)通过闭环控制回路1的前向网络通路单元向解耦执行器DA1节点传输，u1(s)将经历网络传输时延τ1后，才能到达解耦执行器DA1节点；方式C的步骤包括：C1：解耦执行器DA1节点工作于事件驱动方式，被控制信号u1(s)所触发；C2：将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于闭环控制回路1的解耦交叉通道传递函数P12(s)得到其输出值yp12(s)；将控制信号u1(s)与yp12(s)相减，得到控制回路1的解耦输出信号up1(s)，即up1(s)＝u1(s)-yp12(s)；C3：将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于解耦执行器DA1节点中的预估模型G12m(s)得到其输出值y12mb(s)；C4：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象传递函数预估模型G11m(s)得到其输出值y11mb(s)；C5：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象G11(s)得到其输出值y11(s)；将信号up1(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)的解耦与SPC，并实现对时变网络时延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，对被控对象G22(s)输出信号y22(s)和被控对象交叉通道传递函数G21(s)输出信号y21(s)，以及解耦执...

【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