一種兩輸入輸出網絡解耦控制系統時變網絡時延的IMC方法技術方案

兩輸入輸出網絡解耦控制系統時變網絡時延的IMC方法，屬于帶寬資源有限的MIMO?NDCS技術領域。針對一種兩輸入輸出信號之間彼此影響并耦合，需要通過解耦處理的TITO?NDCS，由于網絡數據在節點之間傳輸所產生的網絡時延，不僅影響各自閉環控制回路的穩定性，而且還將影響整個系統的穩定性，甚至導致TITO?NDCS失去穩定的問題，提出以TITO?NDCS中所有真實節點之間的網絡數據傳輸過程，代替其間網絡時延補償模型，同時對兩回路實施IMC，可免除對節點之間網絡時延的測量、估計或辨識，降低時鐘信號同步要求，降低時變網絡時延對TITO?NDCS穩定性的影響，改善系統控制質量。

A IMC method for time varying network delay of two input output network decoupling control system

Methods two IMC network input and output decoupling control system for time-varying network delay, which belongs to the technical field of MIMO NDCS bandwidth limited. According to a two input and output signals to influence each other and coupled through decoupling TITO NDCS, due to network delay generated in the network data transmission between nodes, not only affects the stability of the respective control loops are closed, but will also affect the stability of the whole system, and even lead to TITO NDCS lose stability problem, put forward the network data between all nodes in NDCS TITO real during the transmission process, instead of network delay compensation model, and the implementation of IMC in the two loop, can be exempt from the network delay between nodes of measurement and estimation or identification, reduce the synchronous clock signal, reduces the influence of time-varying network delay on TITO NDCS stability, improve the system quality control.

【技術實現步驟摘要】
一種兩輸入輸出網絡解耦控制系統時變網絡時延的IMC方法
兩輸入輸出網絡解耦控制系統時變網絡時延的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解耦控制系統

技術介紹
在分布式控制系統中，傳感器與控制器、控制器與執行器之間，通過實時通信網絡構成的閉環反饋控制系統，稱為網絡控制系統(Networkedcontrolsystems，NCS)，NCS的典型結構如圖1所示。NCS與傳統的點對點結構的控制系統相比，具有成本低、易于信息共享、易于擴展與維護、靈活性大等優點，近年來已被廣泛應用于過程自動化、制造業自動化、航空航天、無線通信、機器人、智能交通等多個領域。在NCS中，由于網絡時延、數據丟包以及網絡擁塞等現象的存在，使得NCS面臨諸多新挑戰。尤其是時變網絡時延的存在，可降低NCS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，國內外關于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，分別在網絡時延已知、未知或時變，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)的控制系統，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，尤其是針對輸入與輸出信號之間，存在耦合作用需要通過解耦處理的多輸入多輸出網絡解耦控制系統(Networkeddecouplingcontrolsystems，NDCS)時延補償的研究成果則相對更少。MIMO-NDCS的典型結構如圖2所示。與SISO-NCS相比，MIMO-NDCS具有以下特點：(1)輸入與輸出信號之間彼此影響并存在耦合作用在存在耦合作用的MIMO-NCS中，一個輸入信號的變化將會使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跟蹤各自的輸入信號是有困難的。MIMO-NDCS中的解耦器，用于解除或降低多輸入多輸出信號之間的耦合作用。(2)內部結構比SISO-NCS要復雜得多(3)被控對象可能存在不確定性因素在MIMO-NDCS中，涉及的參數較多，各控制回路間的聯系較多，參數變動對整體控制效果的影響會變得很復雜。(4)控制部件失效在MIMO-NDCS中，至少包含有兩個或兩個以上的閉環控制回路，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，嚴重時會使控制系統不穩定，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進行設計與控制的方法，已無法滿足MIMO-NDCS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-NDCS的設計與分析中，給MIMO-NDCS的控制與設計帶來了一定的困難。對于MIMO-NDCS，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時變網絡時延，要建立MIMO-NDCS中各個控制回路的時變網絡時延準確的預測、估計或辨識的數學模型，目前幾乎是不可能的。(2)發生在MIMO-NDCS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困難。(3)要滿足MIMO-NDCS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，輸入與輸出之間彼此影響，并存在耦合作用，其MIMO-NDCS的內部結構要比MIMO-NCS和SISO-NCS復雜，可能存在的不確定性因素較多，對其實施時延補償與控制要比MIMO-NCS和SISO-NCS困難得多。
技術實現思路
本專利技術涉及MIMO-NDCS中的一種兩輸入兩輸出網絡解耦控制系統(TITO-NDCS)時變網絡時延的補償與控制，其TITO-NDCS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)是控制單元，G11(s)是被控對象；τ1表示將控制解耦器CD節點輸出信號u1p(s)，經前向網絡通路傳輸到執行器A1節點所經歷的時變網絡時延；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控制解耦器CD節點所經歷的時變網絡時延。2)來自閉環控制回路2中C2(s)控制單元的輸出信號u2(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數P12(s)作用于閉環控制回路1，從輸入信號u2(s)到輸出信號y1(s)之間的閉環傳遞函數為：3)來自閉環控制回路2中執行器A2節點的輸出信號u2p(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u2p(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)至(3)的分母中，包含了時變網絡時延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)是控制單元，G22(s)是被控對象；τ3表示將控制解耦器CD節點輸出信號u2p(s)，經前向網絡通路傳輸到執行器A2節點所經歷的時變網絡時延；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控制解耦器CD節點所經歷的時變網絡時延。2)來自閉環控制回路1中C1(s)控制單元的輸出信號u1(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數P21(s)作用于閉環控制回路2，從輸入信號u1(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：3)來自閉環控制回路1執行器A1節點的輸出信號u1p(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u1p(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：上述閉環傳遞函數等式(4)至(6)的分母中，均包含了時變網絡時延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-NDCS，其閉環控制回路1的閉環傳遞函數等式(1)至(3)的分母中，均包含了時變網絡時延τ1和τ2的指數項和以及閉環控制回路2的閉環傳遞函數等式(4)至(6)的分母中，均包含了時變網絡時延τ3和τ4的指數項和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。為此，本專利技術提出一種基于IMC的時延補償方法，免除對各閉環控制本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種兩輸入輸出網絡解耦控制系統時變網絡時延的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h

【技術特征摘要】
1.一種兩輸入輸出網絡解耦控制系統時變網絡時延的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).當控制解耦器CD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節點被控制解耦信號u1p(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).當控制解耦器CD節點被反饋信號y2(s)觸發時，將采用方式E進行工作；(6).當執行器A2節點被控制解耦信號u2p(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:傳感器S1節點將反饋信號y1b(s)，通過閉環控制回路1的反饋網絡通路向控制解耦器CD節點傳輸，反饋信號y1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ2后，才能到達控制解耦器CD節點；方式B的步驟包括：B1:控制解耦器CD節點工作于事件驅動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發；B2:在控制解耦器CD節點中，將閉環控制回路1的系統給定信號x1(s)，減去反饋信號y1b(s)和被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)的輸出值y12ma(s)再加上被控對象預估模型G11m(s)的輸出值y11ma(s)，得到系統偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y12ma(s)+y11ma(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中內模控制算法C2IMC(s)的輸出IMC信號u2(s)作用于解耦交叉通道傳遞函數P12(s)得到其解耦信號up12(s)；將IMC信號u1(s)與up12(s)相減得到閉環控制回路1的控制解耦信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-up12(s)；B5:將解耦信號up12(s)作用于被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11ma(s)；將來自于閉環控制回路2輸出的控制解耦信號u2p(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)；B6:將控制解耦信號u1p(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，u1p(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，被控制解耦信號u1p(s)所觸發；C2:將控制解耦信號u1p(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的前向網絡通路單元的控制解耦信號u2p(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:將控制解耦信號u1p(s)作用于被控對象G11...

【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