兩輸入兩輸出網絡控制系統網絡時延二自由度IMC方法，屬于帶寬資源有限的MIMO?NCS技術領域。針對一種TITO?NCS，其兩輸入兩輸出信號之間相互影響，由于網絡數據在節點之間傳輸所產生的網絡時延，不僅影響其自身閉環控制回路的穩定性，而且還將影響另一閉環控制回路的穩定性，甚至導致TITO?NCS失去穩定性的問題，提出以TITO?NCS中所有真實節點之間網絡數據傳輸過程，代替其間網絡時延的補償模型，并對兩回路實施二自由度IMC。采用本發明專利技術方法可免除對節點之間網絡時延的測量、估計或辨識，免除對節點時鐘信號同步的要求，降低網絡時延對TITO?NCS穩定性的影響，改善系統的控制性能質量。
A network time delay two degree of freedom IMC method for two input and two output networked control systems
The control method of IMC system with two degrees of freedom network delay 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 closed loop control circuits, but also will affect the stability of a closed-loop control circuit, leading to TITO NCS lost stability problem, put forward TITO NCS in between all the real node of the network data transmission, network delay compensation model instead of it, and the implementation of two degree of freedom IMC on the two loop. By using 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 NCS stability control performance, improve the quality of the system.
【技術實現步驟摘要】
一種兩輸入兩輸出網絡控制系統網絡時延二自由度IMC(InternalModelControl，IMC)方法，涉及自動控制，網絡通信和計算機技術的交叉領域，尤其涉及帶寬資源有限的多輸入多輸出網絡控制系統
技術介紹
隨著網絡通信、計算機和控制技術的發展，以及生產過程控制日益大型化、廣域化、復雜化及網絡化的發展，越來越多的網絡技術應用于控制系統。網絡控制系統(Networkedcontrolsystems，NCS)是指基于網絡的實時閉環反饋控制系統，NCS的典型結構如圖1所示。NCS可實現復雜大系統及遠程控制，節點資源共享，增加系統的柔性和可靠性，近年來已被廣泛應用于復雜工業過程控制、電力系統、石油化工、軌道交通、航空航天、環境監測等多個領域。在NCS中，當傳感器、控制器和執行器通過網絡交換數據時，網絡可能存在多包傳輸、多路徑傳輸、數據碰撞，網絡擁塞甚至連接中斷等現象，使得NCS面臨諸多新的挑戰。尤其是網絡時延的存在，可降低NCS的控制質量，甚至使系統失去穩定性，嚴重時可能導致系統出現故障。目前，國內外對于NCS的研究，主要是針對單輸入單輸出(Single-inputandsingle-output，SISO)網絡控制系統，分別在網絡時延恒定、未知或隨機，網絡時延小于一個采樣周期或大于一個采樣周期，單包傳輸或多包傳輸，有無數據包丟失等情況下，對其進行數學建模或穩定性分析與控制。但是，針對實際工業過程中，普遍存在的至少包含兩個輸入與兩個輸出(Two-inputandtwo-output，TITO)所構成的多輸入多輸出(Multiple-inputandmultiple-output，MIMO)網絡控制系統的研究則相對較少，尤其是針對基于其系統結構的時延補償方法的研究成果則相對更少。MIMO-NCS的典型結構如圖2所示。與SISO-NCS相比，MIMO-NCS具有以下特點：(1)輸入信號與輸出信號之間彼此影響并可能產生耦合作用在MIMO-NCS中，一個輸入信號的變化可以使得多個輸出信號發生變化，而各個輸出信號也不只受到一個輸入信號的影響。即使輸入與輸出信號之間經過精心選擇配對，各控制回路之間也難免存在著相互影響，因而要使輸出信號獨立地跟蹤各自的輸入信號是有困難的。(2)內部結構要比SISO-NCS復雜得多(3)被控對象存在不確定性的因素較多在MIMO-NCS中，涉及的參數較多，各控制回路間的聯系較多，被控對象參數變化對整體控制性能的影響會變得較為復雜。(4)控制部件失效的可能性較大在MIMO-NCS中，至少包含有兩個或兩個以上的閉環控制回路，并且至少包含有兩個或兩個以上的傳感器和執行器。每一個元件的失效都可能影響整個控制系統的性能質量，嚴重時會使系統不穩定，甚至造成重大事故。由于MIMO-NCS的上述特殊性，使得基于SISO-NCS進行設計與控制的方法，已無法滿足MIMO-NCS的控制性能與控制質量的要求，使其不能或不能直接應用于MIMO-NCS的設計與控制中，給MIMO-NCS的設計與分析帶來了困難。對于MIMO-NCS，網絡時延補償與控制的難點主要在于：(1)由于網絡時延與網絡拓撲結構、通信協議、網絡負載、網絡帶寬和數據包大小等因素有關，對大于數個乃至數十個采樣周期的網絡時延，要建立MIMO-NCS中各個控制回路的網絡時延準確的預測、估計或辨識的數學模型，目前是有困難的。(2)發生在MIMO-NCS中，前一個節點向后一個節點傳輸網絡數據過程中的網絡時延，在前一個節點中無論采用何種預測或估計方法，都不可能事先提前知道其后產生的網絡時延的準確值。時延導致系統性能下降甚至造成系統不穩定，同時也給控制系統的分析與設計帶來了困難。(3)要滿足MIMO-NCS中，不同分布地點的所有節點時鐘信號完全同步是不現實的。(4)由于MIMO-NCS中，輸入與輸出信號之間彼此影響，并可能產生耦合作用，系統內部的結構比SISO-NCS復雜，存在的不確定性因素較多，各控制回路的控制性能質量優劣與其穩定性問題將對整個系統的性能質量與穩定性產生影響和制約，其實施時延補償與控制要比SISO-NCS困難得多。
技術實現思路
本專利技術涉及MIMO-NCS中的一種兩輸入兩輸出網絡控制系統(TITO-NCS)時延的補償與控制，其TITO-NCS的典型結構如圖3所示。針對圖3中的閉環控制回路1：1)從輸入信號x1(s)到輸出信號y1(s)之間的閉環傳遞函數為：式中：C1(s)是控制器，G11(s)是被控對象；τ1表示將控制信號u1(s)從C1(s)控制器所在的C節點，經前向網絡通路傳輸到執行器A1節點所經歷的網絡時延；τ2表示將輸出信號y1(s)從傳感器S1節點，經反饋網絡通路傳輸到C1(s)控制器所在的C節點所經歷的網絡時延。2)來自閉環控制回路2執行器A2節點輸出的驅動信號u2(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)影響閉環控制回路1的輸出信號y1(s)，從輸入信號u2(s)到輸出信號y1(s)之間閉環傳遞函數為：上述閉環傳遞函數等式(1)和(2)的分母中，包含了網絡時延τ1和τ2的指數項和時延的存在將惡化控制系統的性能質量，甚至導致系統失去穩定性。針對圖3中的閉環控制回路2：1)從輸入信號x2(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：式中：C2(s)是控制器，G22(s)是被控對象；τ3表示將控制信號u2(s)從C2(s)控制器所在的C節點，經前向網絡通路傳輸到執行器A2節點所經歷的網絡時延；τ4表示將輸出信號y2(s)從傳感器S2節點，經反饋網絡通路傳輸到C2(s)控制器所在的C節點所經歷的網絡時延。2)來自閉環控制回路1執行器A1節點輸出的驅動信號u1(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)影響閉環控制回路2的輸出信號y2(s)，從輸入信號u1(s)到輸出信號y2(s)之間閉環傳遞函數為：上述閉環傳遞函數等式(3)和(4)的分母中，包含了網絡時延τ3和τ4的指數項和時延的存在將惡化控制系統的性能質量，甚至導致系統失去穩定性。專利技術目的：針對圖3的TITO-NCS，其閉環控制回路1的傳遞函數等式(1)和(2)的分母中，均包含了網絡時延τ1和τ2的指數項和以及閉環控制回路2的傳遞函數等式(3)和(4)的分母中，均包含了網絡時延τ3和τ4的指數項和由于閉環控制回路1的輸出信號y1(s)不僅受到其輸入信號x1(s)的影響，同時還受到閉環控制回路2的輸入信號x2(s)的影響；與此同時，閉環控制回路2的輸出信號y2(s)不僅受到其輸入信號x2(s)的影響，同時也受到閉環控制回路1的輸入信號x1(s)的影響。網絡時延的存在會降低各自閉環控制回路的控制性能質量并影響各自閉環控制回路的穩定性，同時也將降低整個系統的控制性能質量并影響整個系統的穩定性，嚴重時將導致整個系統失去穩定性。本專利技術的目的在于：1)為了免除對各閉環控制回路中，節點之間網絡時延的測量、估計或辨識，進而降低網絡時延τ1和τ2，以及τ3和τ4對各自閉環控制回路以及整個控制系統控制性能質量與系統穩定性的影響，當預估模型等于其真實模型時，可實現各自閉環控制回路的特征方程中不包含網絡時延的指數項，進而可降低網絡時延對系統穩定性的影響，改善系統的動態性能質量，實本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種兩輸入兩輸出網絡控制系統網絡時延二自由度IMC方法，其特征在于該方法包括以下步驟：對于閉環控制回路1：(1).當傳感器S1節點被周期為h1的采樣信號觸發時，將采用方式A進行工作；(2).當控制器C節點被反饋信號y1b(s)觸發時，將采用方式B進行工作；(3).當執行器A1節點被IMC信號u1(s)觸發時，將采用方式C進行工作；對于閉環控制回路2：(4).當傳感器S2節點被周期為h2的采樣信號觸發時，將采用方式D進行工作；(5).當控制器C節點被反饋信號y2b(s)觸發時，將采用方式E進行工作；(6).當執行器A2節點被IMC信號u2(s)觸發時，將采用方式F進行工作；方式A的步驟包括：A1：傳感器S1節點工作于時間驅動方式，其觸發信號為周期h1的采樣信號；A2：傳感器S1節點被觸發后，對被控對象G11(s)的輸出信號y11(s)和被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)的輸出信號y12(s)，以及執行器A1節點的輸出信號y11mb(s)和y12mb(s)進行采樣，并計算出閉環控制回路1的系統輸出信號y1(s)和反饋信號y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)?y11mb(s)?y12mb(s)；A3：將反饋信號y1b(s)，通過閉環控制回路1的反饋網絡通路向控制器C節點傳輸，反饋信號y1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ2后，才能到達控制器C節點；方式B的步驟包括：B1：控制器C節點工作于事件驅動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發；B2：在控制器C節點中，將反饋信號y1b(s)與被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)的輸出y12ma(s)相加后作用于反饋濾波器F1(s)得到其輸出值yF1(s)，即yF1(s)＝(y1b(s)+y12ma(s))F1(s)；將閉環控制回路1的系統給定信號x1(s)，減去反饋濾波器F1(s)的輸出信號yF1(s)，得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)?yF1(s)；B3：對e1(s)實施內模控制算法C1IMC(s)，得到IMC信號u1(s)；B4：將來自于閉環控制回路2內模控制算法C2IMC(s)的輸出IMC信號u2(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12ma(s)；B5：將IMC信號u1(s)通過閉環控制回路1的前向網絡通路單元向執行器A1節點傳輸，u1(s)將經歷網絡傳輸時延τ1后，才能到達執行器A1節點；方式C的步驟包括：C1：執行器A1節點工作于事件驅動方式，被IMC信號u1(s)所觸發；C2：在執行器A1節點中，將IMC信號u1(s)作用于被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；將來自于閉環控制回路2執行器A2節點的IMC信號u2(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12mb(s)；C3：將IMC信號u1(s)作用于被控對象G11(s)得到其輸出值y11(s)；將IMC信號u1(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)得到其輸出值y21(s)；從而實現對被控對象G11(s)和G21(s)的二自由度IMC，同時實現對網絡時延τ1和τ2的補償與控制；方式D的步驟包括：D1：傳感器S2節點工作于時間驅動方式，其觸發信號為周期h2的采樣信號；D2：傳感器S2節點被觸發后，對被控對象G22(s)的輸出信號y22(s)和被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)的輸出信號y21(s)，以及執行器A2節點的輸出信號y22mb(s)和y21mb(s)進行采樣，并計算出閉環控制回路2的系統輸出信號y2(s)和反饋信號y2b(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)和y2b(s)＝y2(s)?y22mb(s)?y21mb(s)；D3：將反饋信號y2b(s)，通過閉環控制回路2的反饋網絡通路向控制器C節點傳輸，反饋信號y2b(s)將經歷網絡傳輸時延τ4后，才能到達控制器C節點；方式E的步驟包括：E1：控制器C節點工作于事件驅動方式，被反饋信號y2b(s)所觸發；E2：在控制器C節點中，將反饋信號y2b(s)與被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(s)輸出y21ma(s)?相加，并將相加的結果作用于反饋濾波器F2(s)得到其輸出值yF2(s)，即yF2(s)＝(y2b(s)+y21ma(s))F2(s)；將閉環控制回路2的系統給定信號x2(s)，減去反饋濾波器F2(s)的輸出信號yF2(s)，得到偏差信號e2(s)，即e2(s)＝x2(s)?yF2(s)；E3：對e2(s)實施內模控制算法C2IMC(s)，得到IMC信號u2(s)；E4：將來自于閉環控制回路1內模控制算法C1IMC(s)的輸出IMC信號u1(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(...
【技術特征摘要】
1.一種兩輸入兩輸出網絡控制系統網絡時延二自由度IMC方法，其特征在于該方法包括以下步驟：對于閉環控制回路1：(1).當傳感器S1節點被周期為h1的采樣信號觸發時，將采用方式A進行工作；(2).當控制器C節點被反饋信號y1b(s)觸發時，將采用方式B進行工作；(3).當執行器A1節點被IMC信號u1(s)觸發時，將采用方式C進行工作；對于閉環控制回路2：(4).當傳感器S2節點被周期為h2的采樣信號觸發時，將采用方式D進行工作；(5).當控制器C節點被反饋信號y2b(s)觸發時，將采用方式E進行工作；(6).當執行器A2節點被IMC信號u2(s)觸發時，將采用方式F進行工作；方式A的步驟包括：A1：傳感器S1節點工作于時間驅動方式，其觸發信號為周期h1的采樣信號；A2：傳感器S1節點被觸發后，對被控對象G11(s)的輸出信號y11(s)和被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)的輸出信號y12(s)，以及執行器A1節點的輸出信號y11mb(s)和y12mb(s)進行采樣，并計算出閉環控制回路1的系統輸出信號y1(s)和反饋信號y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)-y11mb(s)-y12mb(s)；A3：將反饋信號y1b(s)，通過閉環控制回路1的反饋網絡通路向控制器C節點傳輸，反饋信號y1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ2后，才能到達控制器C節點；方式B的步驟包括：B1：控制器C節點工作于事件驅動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發；B2：在控制器C節點中，將反饋信號y1b(s)與被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)的輸出y12ma(s)相加后作用于反饋濾波器F1(s)得到其輸出值yF1(s)，即yF1(s)＝(y1b(s)+y12ma(s))F1(s)；將閉環控制回路1的系統給定信號x1(s)，減去反饋濾波器F1(s)的輸出信號yF1(s)，得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-yF1(s)；B3：對e1(s)實施內模控制算法C1IMC(s)，得到IMC信號u1(s)；B4：將來自于閉環控制回路2內模控制算法C2IMC(s)的輸出IMC信號u2(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12ma(s)；B5：將IMC信號u1(s)通過閉環控制回路1的前向網絡通路單元向執行器A1節點傳輸，u1(s)將經歷網絡傳輸時延τ1后，才能到達執行器A1節點；方式C的步驟包括：C1：執行器A1節點工作于事件驅動方式，被IMC信號u1(s)所觸發；C2：在執行器A1節點中，將IMC信號u1(s)作用于被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；將來自于閉環控制回路2執行器A2節點的IMC信號u2(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12mb(s)；C3：將IMC信號u1(s)作用于被控對象G11(s)得到其輸出值y11(s)；將IMC信號u1(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)得到其輸出值y21(s)；從而實現對被控對象G11(s)和G21(s)的二自由度IMC，同時實現對網絡時延τ1和τ2的補償與控制；方式D的步驟包括：D1：傳感器S2節點工作于時間驅...
【專利技術屬性】
技術研發人員：杜鋒，
申請(專利權)人：海南大學，
類型：發明
國別省市：海南;46
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