一种IMC和SPC的NPCCS随机时延的补偿方法技术

一种IMC和SPC的NPCCS随机时延的补偿方法，属于带宽资源有限的单输入双输出网络化控制系统技术领域。针对NPCCS中，由于网络数据在节点之间传输时所产生的网络时延，降低了NPCCS的控制性能质量，甚至使系统失去稳定性的问题，提出以NPCCS中所有真实的网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型；对主和副闭环控制回路分别实施基于被控对象端的IMC和基于控制器端的SPC；从系统结构上实现免除对节点之间网络时延的测量、估计或辨识，降低了随机网络时延对NPCCS稳定性的影响，改善了系统的控制性能质量，实现了对随机网络时延的补偿与控制。

A Compensation Method for Random Delay of NPCS in IMC and SPC

A method for compensating the random delay of NPCS in IMC and SPC belongs to the technical field of single input and double output networked control systems with limited bandwidth resources. In order to solve the problem of network delay caused by network data transmission between nodes in NPCCS, which reduces the quality of control performance of NPCCS and even causes the system to lose stability, this paper proposes to replace the network delay compensation model with all the real network data transmission processes in NPCCS, and divides the main and secondary closed-loop control loops into two parts. The IMC based on the controlled object and SPC based on the controller are implemented separately. The measurement, estimation or identification of network delay between nodes is exempted from the system structure, which reduces the influence of random network delay on the stability of NPCCS, improves the quality of control performance of the system, and realizes the compensation and control of random network delay.

【技术实现步骤摘要】
一种IMC和SPC的NPCCS随机时延的补偿方法
一种IMC(Internalmodelcontrol，IMC)和SPC(Smithpredictorcontrol，SPC)的NPCCS(Networkedparallelcascadecontrolsystems，NPCCS)随机时延的补偿方法，涉及过程控制，网络通信和计算机控制等技术的交叉领域，尤其涉及带宽资源有限的单输入双输出网络化控制系统

技术介绍
串级控制系统(Cascadecontrolsystems，CCS)，是一种在过程控制工程中被广泛使用的先进控制系统。CCS能够实现快速抑制进入副回路的扰动，改善闭环控制系统的动态性能和抗干扰能力。CCS通常包含两个闭环控制回路，即一个主闭环控制回路(Primaryclosedcontrolloop，PCCL)和一个副闭环控制回路(Secondaryclosedcontrolloop，SCCL)。CCS有两种类型的控制系统结构：一种是串联式串级控制系统(Seriescascadecontrolsystems，SCCS)结构；另一种是并联式串级控制系统(Parallelcascadecontrolsystems，PCCS)结构。SCCS结构：是指系统的操纵变量首先影响系统的副被控变量，然后副被控变量再直接影响系统的主被控变量，系统的主闭环控制回路和副闭环控制回路的被控对象之间是“串联式”的，串联式串级控制系统(SCCS)的典型结构如图1所示。PCCS结构：是指系统的操纵变量同时直接影响系统的主和副两个被控变量，系统的主闭环控制回路和副闭环控制回路的被控对象之间是“并联式”的。系统的主控制器使主被控变量跟踪系统的给定信号，保持系统良好的动态跟踪性能，而系统的副控制器用于克服进入系统的外界干扰信号对系统的影响。从抗干扰的角度分析出发，在PCCS中副控制器间接充当了一个前馈控制器的作用，其抗干扰的原理类似于前馈控制，所不同的是前馈控制系统中对干扰的要求是必须可测量的，而PCCS既适用于可测量的干扰，同时也适用于不可测量的干扰。PCCS充分利用了副闭环控制回路的输出信号，提高了系统的控制品质。PCCS的构筑思想和SCCS有很大的差别，对于提高系统的控制品质有很大的帮助，并联式串级控制系统(PCCS)的典型结构如图2所示。随着网络通信、计算机技术的发展，以及生产过程控制日益大型化、广域化、复杂化以及网络化的发展，越来越多的网络技术应用于控制系统中。将实时通信网络，插入到并联式串级控制系统(PCCS)的主传感器与主控制器节点、副传感器与副控制器节点、主控制器与副控制器节点、以及副控制器与执行器节点之间，构成了一个实时闭环的网络化并联式串级控制系统(Networkedparallelcascadecontrolsystems，NPCCS)，网络化并联式串级控制系统(NPCCS)的典型结构如图3所示。NPCCS可实现远程控制，节点资源共享，增加系统的柔性和可靠性。但是当传感器、控制器和执行器节点之间，通过网络交换数据时，可能存在网络数据多包传输、多路径传输、数据碰撞，网络拥塞甚至连接中断等现象，使得NPCCS面临诸多新的挑战。尤其是网络时延的存在，可直接降低NPCCS的控制性能质量，甚至使系统失去稳定性，严重时可能导致系统出现故障，危及生产运行安全。对于NPCCS，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网络时延，要建立NPCCS各个闭环控制回路中网络时延准确的预测、估计或辨识的数学模型，目前是有困难的。(2)发生在NPCCS中，由前一个网络节点向后一个网络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的准确值。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了困难。(3)要满足NPCCS中，不同分布地点的所有网络节点时钟信号完全同步是不现实的。
技术实现思路
本专利技术涉及一种NPCCS随机网络时延的补偿与控制，其系统的典型结构如图3所示。在图3中：(1)从给定输入信号r(s)到主被控对象P1(s)的输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：式中：C1(s)和C2(s)分别是主和副控制器；P1(s)和P2(s)分别是主和副被控对象；τ1和τ3分别是网络数据在主和副闭环控制回路的前向网络通路中传输时所经历的随机网络时延；τ2和τ4分别是网络数据在主和副闭环控制回路的反馈网络通路中传输时所经历的随机网络时延。(2)从给定输入信号r(s)到副被控对象P2(s)的输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：(3)从副闭环控制回路的干扰信号d2(s)到主被控对象P1(s)的输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：(4)从副闭环控制回路的干扰信号d2(s)到副被控对象P2(s)的输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：上述闭环传递函数等式(1)至(4)的分母中，包含了随机网络时延τ1和τ2的指数项和以及τ3和τ4的指数项和即NPCCS的闭环特征方程：中包含了所有网络时延的指数项，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NPCCS的闭环特征方程式(5)中，包含了所有网络时延的指数项，时延的存在将恶化控制系统的控制性能质量的问题，基于闭环控制系统稳定性分析理论，如何实现在系统满足一定条件下，使其闭环特征方程不再包含网络时延的指数项，进而可提高系统的控制性能质量，增强系统的稳定性，成为本专利技术需要解决的关键问题所在。为此，针对图3的主闭环控制回路，提出一种基于被控对象端的IMC(Internalmodelcontrol，IMC)时延补偿与控制方法；针对图3的副闭环控制回路，提出一种基于控制器端的SPC(Smithpredictorcontrol，SPC)时延补偿与控制方法，用于降低网络时延τ1和τ2，以及τ3和τ4对系统控制性能质量与系统稳定性的影响，使得系统的闭环特征方程式(5)中不再包含网络时延的指数项，实现对NPCCS随机网络时延的分段、实时、在线和动态的预估补偿与控制。采用方法：第一步：为了实现满足预估补偿条件时，副闭环控制回路的闭环特征方程中不再包含网络时延τ3和τ4的指数项，以图3中副控制器C2(s)的输出信号u2(s)作为输入信号，副被控对象预估模型P2m(s)作为被控过程，控制与过程数据通过网络传输时延预估模型和围绕副控制器C2(s)构造一个闭环正反馈预估控制回路和一个闭环负反馈预估控制回路，如图4所示；第二步：针对实际NPCCS中难以获取网络时延准确值的问题，在图4中要实现对网络时延的补偿与SPC，除了要满足被控对象预估模型等于其真实模型的条件外，还必须满足随机网络时延预估模型要等于其真实模型的条件。为此，采用真实的网络数据传输过程和代替其间网络时延预估补偿模型和从而免除对副闭环控制回路中，节点之间随机网络时延τ3和τ4的测量、估计或辨识；当副被控对象预估模型等于其真实模型时，可实现对其随机网络时延τ3和τ4的补偿与控制；实施本步骤方法的网络时延补偿与SPC结构如图5所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种IMC和SPC的NPCCS随机时延的补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1).当主传感器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).当主控制器C1节点被反馈信号y1(s)触发时，将采用方式B进行工作；(3).当副传感器S2节点被周期为h2的采样信号触发时，将采用方式C进行工作；(4).当副控制器C2节点被反馈信号y2b(s)或者被主控制器C1节点的输出信号e1触发时，将采用方式D进行工作；(5).当执行器A节点被副控制器C2节点的输出信号u2(s)触发时，将采用方式E进行工作；方式A的步骤包括：A1：主传感器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：主传感器S1节点被触发后，对主被控对象P1(s)的输出信号y1(s)进行采样，得到反馈信号y1(s)；A3：将反馈信号y1(s)，通过主闭环控制回路的反馈网络通路

【技术特征摘要】
1.一种IMC和SPC的NPCCS随机时延的补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(1).当主传感器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).当主控制器C1节点被反馈信号y1(s)触发时，将采用方式B进行工作；(3).当副传感器S2节点被周期为h2的采样信号触发时，将采用方式C进行工作；(4).当副控制器C2节点被反馈信号y2b(s)或者被主控制器C1节点的输出信号e1触发时，将采用方式D进行工作；(5).当执行器A节点被副控制器C2节点的输出信号u2(s)触发时，将采用方式E进行工作；方式A的步骤包括：A1：主传感器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：主传感器S1节点被触发后，对主被控对象P1(s)的输出信号y1(s)进行采样，得到反馈信号y1(s)；A3：将反馈信号y1(s)，通过主闭环控制回路的反馈网络通路单元向主控制器C1节点传输，反馈信号y1(s)将经历网络传输时延τ2后，才能到达主控制器C1节点；方式B的步骤包括：B1：主控制器C1节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y1(s)所触发；B2：在主控制器C1节点中，将主闭环控制回路的系统给定信号r(s)与反馈信号y1(s)相加后再相减，得到偏差信号e1(s)，即e1(s)＝r(s)+y1(s)-y1(s)；B3：将偏差信号e1(s)通过主闭环控制回路的前向网络通路单元向副控制器C2节点传输，偏差信号e1(s)将经历网络传输时延τ1后，才能到达副控制器C2节点；方式C的步骤包括：C1：副传感器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；C2：副传感器S2节点被触发后，对副被控对象P2(s)的输出信号y2(s)和副被控对象预估模型P2m(s)的输出信号y2mb(s)进行采样，并计算出副闭环控制回路的反馈信号y2b(s)，且y2b(s)＝y2(s)-y2mb(s)；C3：将反馈信号y2b(s)通过副闭环控制回路的反馈网络通路单元向副控制器C2节点传输，反馈信号y2b(s)将经历网络传输时延τ4后，才能到达副控制器C2节点；方式D的步骤包括：D1：副控制器C2节点工作于...

【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