一种两输入两输出NDCS时变时延补偿与控制方法技术

两输入两输出NDCS时变时延补偿与控制方法，属于带宽资源有限的多输入多输出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过程中所产生的网络时延，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稳定性，甚至导致TITO‑NDCS失去稳定的问题，提出以TITO‑NDCS中所有节点之间的真实网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型的方法，对其回路实施二自由度IMC和SPC，可免除对节点之间网络时延的测量、估计或辨识，降低时钟信号同步的要求，降低网络时变时延对TITO‑NDCS稳定性的影响，改善系统的控制性能质量。

【技术实现步骤摘要】
一种两输入两输出NDCS时变时延补偿与控制方法
一种两输入两输出NDCS(Networkeddecouplingcontrolsystems，NDCS)时变时延补偿与控制方法，涉及自动控制技术，网络通信技术和计算机技术交叉领域，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
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已被广泛应用于工业过程控制、智能交通运输、远程辅助医疗以及国防工业等多个领域。将通信网络引入到实时控制系统；一方面，可以降低系统成本、提高系统可靠性、安装和维护简单以及便于通过网络实现系统资源共享等优点；另一方面，也带来了通信约束问题，如网络通信环境引起的诱导时延、通信带宽资源有限导致的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。尤其是网络时延的存在，可降低NCS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时变网络时延，要建立MIMO-NDCS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-NCS中的一种两输入两输出NDCS(TITO-NDCS)时变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解耦执行器DA1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的解耦执行器DA2节点中的控制信号u2(s)，作用于交叉解耦通道P12(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元，其输出信号yp12(s)再作用于闭环控制回路1，从输入信号u2(s)到输出信号y1(s)之间闭环传递函数为：3)来自闭环控制回路2解耦执行器DA2节点输出的驱动信号u2p(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G12(s)作用于闭环控制回路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)和(3)的分母中，包含了网络时变时延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解耦执行器DA2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的解耦执行器DA1节点中的控制信号u1(s)，作用于交叉解耦通道P21(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元，其输出信号yp21(s)再作用于闭环控制回路2，从输入信号u1(s)到输出信号y2(s)之间闭环传递函数为：3)来自闭环控制回路1解耦执行器DA1节点输出的驱动信号u1p(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G21(s)作用于闭环控制回路2的输出信号y2(s)，从输入信号u1p(s)到输出信号y2(s)之间闭环传递函数为：上述闭环传递函数等式(4)和(6)的分母中，包含了网络时变时延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的传递函数等式(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种两输入两输出NDCS时变时延补偿与控制方法，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).当解耦执行器DA1节点被IMC信号u1(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道

【技术特征摘要】
1.一种两输入两输出NDCS时变时延补偿与控制方法，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).当解耦执行器DA1节点被IMC信号u1(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号yp12(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).当解耦执行器DA2节点被信号e2(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号yp21(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y1b(s)作用于反馈滤波器F1(s)得到其输出值yF1(s)，即yF1(s)＝F1(s)y1b(s)；将闭环控制回路1的系统给定信号x1(s)，减去yF1(s)得到偏差信号e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-yF1(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解耦执行器DA1节点传输，IMC信号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IMC信号u1(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号yp12(s)所触发；C2：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)；C3：将IMC信号u1(s)作用于交叉解耦通道P21(s)单元得到其输出信号yp21(s)；C4：将信号yp21(s)通过交叉解耦网络传输通道单元，向闭环控制回路2的解耦执行器DA2节点传输；信号yp21(s)将经历网络传输时延τ21后，才能到达解耦执行器DA2节点；C5：将IMC信号u1(s)与来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的信号u2(s)通过交叉解耦通道P12(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元的输出信号yp12(s)相减得到信号u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；C6：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)的解耦与控制，同时实现对网络时变时延τ1和τ2的补偿与二自由度IMC；方式D的步骤包括：D1：...

【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