一种二输入二输出网络解耦控制系统随机网络时延IMC方法技术方案

二输入二输出网络解耦控制系统随机网络时延IMC方法，属于带宽资源有限的MIMO‑NDCS技术领域。针对一种二输入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的方法，对两回路实施IMC，可免除对节点之间网络时延的测量、估计或辨识，降低时钟信号同步要求，降低随机网络时延对TITO‑NDCS稳定性影响，改善系统控制质量。

【技术实现步骤摘要】
一种二输入二输出网络解耦控制系统随机网络时延IMC方法
一种二输入二输出网络解耦控制系统随机网络时延IMC(InternalModelControl，IMC)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
在网络环境下，传感器、控制器和执行器通过网络媒介形成闭环，组成网络控制系统(Networkedcontrolsystems，NCS)，NCS的典型结构如图1所示。NCS为经典和现代控制理论注入了新的活力，同时也对其系统的设计提出了新的挑战：一方面，网络的引入会带来节省投资、易于维护等优点；另一方面，也会带来时延、数据丢包和其他复杂的现象，尤其是随机网络时延的存在，可降低NCS控制性能质量，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二个输入与二个输出(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(Networkeddecouplingcontrolsystems，NDCS)时延补偿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随机网络时延，要建立MIMO-NDCS中各个控制回路的随机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，对其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中的一种二输入二输出网络解耦控制系统(TITO-NDCS)随机网络时延的补偿与控制，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)是控制单元，G11(s)是被控对象；τ1表示将控制解耦器CD1节点输出信号u1p(s)，经前向网络通路传输到执行器A1节点所经历的随机网络时延；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控制解耦器CD1节点所经历的随机网络时延。2)来自闭环控制回路2中C2(s)控制单元的输出信号u2(s)，通过交叉解耦通道传递函数P12(s)及其网络通路单元后作用于闭环控制回路1，从输入信号u2(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：3)来自闭环控制回路2执行器A2节点的输出信号u2p(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u2p(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)至(3)的分母中，包含了随机网络时延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)是控制单元，G22(s)是被控对象；τ3表示将控制解耦器CD2节点输出信号u2p(s)，经前向网络通路传输到执行器A2节点所经历的随机网络时延；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控制解耦器CD2节点所经历的随机网络时延。2)来自闭环控制回路1中C1(s)控制单元的输出信号u1(s)，通过交叉解耦通道传递函数P21(s)及其网络通路单元后作用于闭环控制回路2，从输入信号u1(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：3)来自闭环控制回路1执行器A1节点的输出信号u1p(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u1p(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：上述闭环传递函数等式(4)至(6)的分母中，均包含了随机网络时延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-NDCS，其闭环控制回路1的闭环传递函数等式(1)至(3)的分母中，均包含了随机网络时延τ1和τ2的指数项和以及闭环控制回路2的闭环传递函数等式(4)至(6)的分母中，均包含了随机网络时延τ3和τ4的指数项和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，本专利技术提出一种基于IMC的时延补偿方法，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，以本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二输入二输出网络解耦控制系统随机网络时延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解耦控制系统随机网络时延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).当控制解耦器CD1节点被反馈信号y1b(s)或者被交叉解耦网络通路单元的输出信号yp12(s)触发时，将采用方式B进行工作；(3).当执行器A1节点被控制解耦信号u1p(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).当控制解耦器CD2节点被反馈信号y2b(s)或者被交叉解耦网络通路单元的输出信号yp21(s)触发时，将采用方式E进行工作；(6).当执行器A2节点被控制解耦信号u2p(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)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)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解耦器CD1节点传输，反馈信号y1b(s)将经历网络传输时延τ2后，才能到达控制解耦器CD1节点；方式B的步骤包括：B1：控制解耦器CD1节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y1b(s)或者被交叉解耦网络通路单元的输出信号yp12(s)所触发；B2：在控制解耦器CD1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)和被控对象预估模型G11m(s)的输出值y11ma(s)以及被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)的输出值y12ma(s)，得到系统偏差信号e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)-y12ma(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)作用于交叉解耦通道传递函数P21(s)得到其输出信号yp21(s)；将yp21(s)通过网络通路单元向控制解耦器CD2节点传输，yp21(s)将经历网络传输时延τ21后，才能到达控制解耦器CD2节点；B5：将来自于控制解耦器CD2节点，通过交叉解耦通道传递函数P12(s)和网络通路单元传输过来的信号yp12(s)作用于传递函数1/P12(s)单元得到其输出信号u2m(s)；将u2m(s)与yp21(s)相加得到信号u2pm(s)；将u2pm(s)作用于被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)得到其输出值y12ma(s)；B6：将解耦信号yp12(s)作用于被控对象预估模型G11m(s)得到其输出值y11ma(s)；将解耦信号yp12(s)与IMC信号u1(s)相加，得到控制解耦信号u1p(s)，即u1p(s)＝yp12(s)+u1(s)；B7：将控制解耦信号u1p(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，u1p(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，被控制解耦信号u1p(s)所触发；C2：将控制解耦信号u1p(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的前向网络通路单元的控制解耦信号u2p(s)作用于被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)得到其输出值y12mb(s)；C3：将控制解耦信号u1p(s)作用于被控对象G11(s)得到其输出值y11(s)；将控制解耦信号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)的解耦与IMC，...

【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