一種雙輸入雙輸出ndcs(networkeddecouplingcontrolsystems，ndcs)未知時延的spc(smithpredictorcontrol，spc)方法，涉及自動控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)交叉領(lǐng)域，尤其涉及帶寬資源有限的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，以及生產(chǎn)過程控制日益大型化、廣域化、復(fù)雜化及網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，越來越多的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networkedcontrolsystems，ncs)是指基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，ncs的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ncs與傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比，可實(shí)現(xiàn)資源共享，遠(yuǎn)程操作與控制，具有極高的診斷能力，安裝與維護(hù)簡便，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)程遙操作、遙醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、無線網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人、某些兵器系統(tǒng)以及新興的以現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)均屬于ncs的范疇，此外，ncs在航空航天領(lǐng)域，以及復(fù)雜、危險的工業(yè)控制領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用，對其研究已成為國際學(xué)術(shù)界的一個熱點(diǎn)課題。

在ncs中，由于網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟包以及網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象的存在，使得ncs面臨諸多新的挑戰(zhàn)。當(dāng)ncs的傳感器、控制器和執(zhí)行器之間通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時，必然會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延，從而會降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

目前，國內(nèi)外對于ncs的研究，主要是針對單輸入單輸出(single-inputandsingle-output，siso)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng)絡(luò)時延恒定、未知或隨機(jī)，網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)包丟失等情況下，對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建?；蚍€(wěn)定性分析與控制。但是，針對實(shí)際工業(yè)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(gòu)成的多輸入多輸出(multiple-inputandmultiple-output，mimo)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(networkeddecouplingcontrolsystems，ndcs)時延補(bǔ)償?shù)难芯砍晒麆t相對更少。

mimo-ndcs的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與siso-ncs相比，mimo-ndcs具有以下特點(diǎn)：

(1)輸入信號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(fā)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(jīng)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(dú)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(nèi)部結(jié)構(gòu)比siso-ncs要復(fù)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(shù)較多，各控制回路間的聯(lián)系較多，參數(shù)變動對整體控制效果的影響會變得很復(fù)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(huán)控制回路，至少包含有兩個或兩個以上的傳感器和執(zhí)行器。每一個元件的失效都可能影響整個控制系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時會使控制系統(tǒng)不穩(wěn)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(jìn)行設(shè)計(jì)與控制的方法，已無法滿足mimo-ndcs的控制性能與控制質(zhì)量的要求，使其不能或不能直接應(yīng)用于mimo-ndcs的設(shè)計(jì)與分析中，給mimo-ndcs的控制與設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。

對于mimo-ndcs，網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償與控制的難點(diǎn)主要在于：

(1)由于網(wǎng)絡(luò)時延與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)包大小等因素有關(guān)，對大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期的未知網(wǎng)絡(luò)時延，要建立mimo-ndcs中各個控制回路的網(wǎng)絡(luò)時延準(zhǔn)確的預(yù)測、估計(jì)或辨識的數(shù)學(xué)模型，目前幾乎是不可能的。

(2)發(fā)生在mimo-ndcs中，前一個節(jié)點(diǎn)向后一個節(jié)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過程中的網(wǎng)絡(luò)時延，在前一個節(jié)點(diǎn)中無論采用何種預(yù)測或估計(jì)方法，都不可能事先提前知道其后產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時延準(zhǔn)確值。時延導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時也給控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)帶來困難。

(3)要滿足mimo-ndcs中，不同分布地點(diǎn)的所有節(jié)點(diǎn)時鐘信號完全同步是不現(xiàn)實(shí)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(nèi)部結(jié)構(gòu)要比mimo-ncs和siso-ncs復(fù)雜，可能存在的不確定性因素較多，對其實(shí)施時延補(bǔ)償與控制要比mimo-ncs和siso-ncs困難得多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及mimo-ncs中的一種雙輸入雙輸出ndcs(tito-ndcs)未知時延的補(bǔ)償與控制，其tito-ndcs的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

針對圖3中的閉環(huán)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(huán)傳遞函數(shù)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c1節(jié)點(diǎn)，經(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延；τ2表示將輸出信號y1(s)從傳感器s1節(jié)點(diǎn)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)絚1(s)控制器所在的c1節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延。

2)來自閉環(huán)控制回路2的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)中的控制信號u2(s)，作用于交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp12(s)再作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號u2(s)到輸出信號y1(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)輸出的驅(qū)動信號u2p(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g12(s)作用于閉環(huán)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(huán)傳遞函數(shù)為：

上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(1)和(3)的分母中，包含了網(wǎng)絡(luò)未知時延τ1和τ2的指數(shù)項(xiàng)和時延的存在將惡化控制系統(tǒng)的性能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

針對圖3中的閉環(huán)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(huán)傳遞函數(shù)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c2節(jié)點(diǎn)，經(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延；τ4表示將輸出信號y2(s)從傳感器s2節(jié)點(diǎn)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)絚2(s)控制器所在的c2節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延。

2)來自閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)中的控制信號u1(s)，作用于交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp21(s)再作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號u1(s)到輸出信號y2(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)輸出的驅(qū)動信號u1p(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)作用于閉環(huán)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)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(4)和(6)的分母中，包含了網(wǎng)絡(luò)未知時延τ3和τ4的指數(shù)項(xiàng)和時延的存在將惡化控制系統(tǒng)的性能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

發(fā)明目的：

針對圖3的tito-ndcs，其閉環(huán)控制回路1的傳遞函數(shù)等式(1)和(3)的分母中，均包含了網(wǎng)絡(luò)未知時延τ1和τ2的指數(shù)項(xiàng)和以及閉環(huán)控制回路2的傳遞函數(shù)等式(4)和(6)的分母中，均包含了網(wǎng)絡(luò)未知時延τ3和τ4的指數(shù)項(xiàng)和

由于閉環(huán)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(huán)控制回路2的輸入信號x2(s)的影響；與此同時，閉環(huán)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(huán)控制回路1的輸入信號x1(s)的影響；網(wǎng)絡(luò)時延的存在會降低各自閉環(huán)控制回路的控制性能質(zhì)量并影響各自閉環(huán)控制回路的穩(wěn)定性，同時也將降低整個系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量并影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時將導(dǎo)致整個系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

為此，針對圖3中的閉環(huán)控制回路1和回路2：本發(fā)明提出兩種spc方法，構(gòu)成兩閉環(huán)控制回路網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償與spc，用于免除對各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點(diǎn)之間未知網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計(jì)或辨識，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2，以及τ3和τ4對各自閉環(huán)控制回路以及對整個控制系統(tǒng)控制性能質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對tito-ndcs未知網(wǎng)絡(luò)時延的分段、實(shí)時、在線和動態(tài)的預(yù)估補(bǔ)償與spc。

采用方法：

針對圖3中的閉環(huán)控制回路1：

第一步：為了實(shí)現(xiàn)滿足預(yù)估補(bǔ)償條件時，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)特征方程中不再包含網(wǎng)絡(luò)時延的指數(shù)項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補(bǔ)償與控制，采用以控制信號u1(s)作為輸入信號，被控對象預(yù)估模型g11m(s)作為被控過程，控制與過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時延預(yù)估模型以及在控制器c1節(jié)點(diǎn)中圍繞控制器c1(s)，構(gòu)造一個正反饋預(yù)估控制回路和一個負(fù)反饋預(yù)估控制回路；實(shí)施本步驟的結(jié)構(gòu)如圖4所示；

第二步：針對實(shí)際tito-ndcs中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時延準(zhǔn)確值的問題，在圖4中要實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償與spc，除了要滿足被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型的條件外，還必須滿足未知網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型以及要等于其真實(shí)模型以及的條件。為此，從傳感器s1節(jié)點(diǎn)到控制器c1節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制器c1節(jié)點(diǎn)到解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)之間，采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估補(bǔ)償模型以及因而無論被控對象的預(yù)估模型是否等于其真實(shí)模型，都可以從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時延的預(yù)估補(bǔ)償模型，從而免除對閉環(huán)控制回路1中，節(jié)點(diǎn)之間未知網(wǎng)絡(luò)時延r1和τ2的測量、估計(jì)或辨識；實(shí)施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償與spc結(jié)構(gòu)如圖5所示；

針對圖3中的閉環(huán)控制回路2：

第一步：為了實(shí)現(xiàn)滿足預(yù)估補(bǔ)償條件時，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)特征方程不再包含網(wǎng)絡(luò)時延指數(shù)項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)未知時延τ3和τ4的補(bǔ)償與控制，圍繞被控對象g22(s)，以閉環(huán)控制回路2輸出y2(s)作為輸入信號，將y2(s)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時延預(yù)估模型和預(yù)估控制器c2m(s)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸時延預(yù)估模型構(gòu)造一個正反饋預(yù)估控制回路；與此同時，將y2(s)通過預(yù)估控制器c2m(s)構(gòu)造一個負(fù)反饋預(yù)估控制回路，實(shí)施本步驟的結(jié)構(gòu)如圖4所示；

第二步：針對實(shí)際tito-ndcs中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時延準(zhǔn)確值的問題，在圖4中要實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償與控制，必須滿足網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型和要等于其真實(shí)模型和的條件，以及滿足預(yù)估控制器c2m(s)等于其控制器c2(s)的條件(由于控制器c2(s)是人為設(shè)計(jì)與選擇，自然滿足c2m(s)＝c2(s))。為此，從傳感器s2節(jié)點(diǎn)到控制器c2節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制器c2節(jié)點(diǎn)到解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)之間，采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程和代替其間網(wǎng)絡(luò)時延的預(yù)估補(bǔ)償模型和得到圖5所示的網(wǎng)絡(luò)未知時延補(bǔ)償與控制結(jié)構(gòu)；

第三步：將圖5中控制器c2(s)，按傳遞函數(shù)等價變換規(guī)則進(jìn)一步化簡，得到圖6所示的實(shí)施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償與spc控制結(jié)構(gòu)。

在此需要特別說明的是，在圖6的控制器c2節(jié)點(diǎn)中，出現(xiàn)了閉環(huán)控制回路2的給定信號x2(s)，與其反饋信號y2(s)實(shí)施先“減”后“加”，或先“加”后“減”的運(yùn)算規(guī)則，即y2(s)信號同時經(jīng)過正反饋和負(fù)反饋連接到控制器c2節(jié)點(diǎn)中：

(1)這是由于將圖5中的控制器c2(s)，按照傳遞函數(shù)等價變換規(guī)則進(jìn)一步化簡得到圖6所示的結(jié)果，并非人為設(shè)置；

(2)由于ncs的節(jié)點(diǎn)幾乎都是智能節(jié)點(diǎn)，不僅具有通信與運(yùn)算功能，而且還具有存儲與控制等功能，在節(jié)點(diǎn)中對同一個信號進(jìn)行先“減”后“加”，或先“加”后“減”，這在運(yùn)算法則上不會有什么不符合規(guī)則之處；

(3)在節(jié)點(diǎn)中對同一個信號進(jìn)行“加”與“減”運(yùn)算其結(jié)果值為“零”，這個“零”值，并不表明在該節(jié)點(diǎn)中信號y2(s)就不存在，或沒有得到y(tǒng)2(s)信號，或信號沒有被貯存；或因“相互抵消”導(dǎo)致“零”信號值就變成不存在，或沒有意義；

(4)控制器c2節(jié)點(diǎn)的觸發(fā)，就來自于信號y2(s)的驅(qū)動，如果控制器c2節(jié)點(diǎn)沒有接收到來自反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸過來的信號y2(s)，則處于事件驅(qū)動工作方式的控制器c2節(jié)點(diǎn)將不會被觸發(fā)。

對于圖6中的閉環(huán)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(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：g11m(s)是被控對象g11(s)的預(yù)估模型，c1(s)是控制器。

2)來自閉環(huán)控制回路2的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)中的控制信號u2(s)，作用于交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp12(s)再作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號u2(s)到輸出信號y1(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)輸出的驅(qū)動信號u2p(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g12(s)作用于閉環(huán)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(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，當(dāng)被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，即當(dāng)g11m(s)＝g11(s)時，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)特征方程由變成1+c1(s)g11(s)＝0；其閉環(huán)特征方程中不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)未知時延τ1和τ2的指數(shù)項(xiàng)和從而可降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)動態(tài)控制性能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補(bǔ)償與spc。

對于圖6中的閉環(huán)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(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：c2(s)是控制器。

2)來自閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)中的控制信號u1(s)，作用于交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp21(s)再作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號u1(s)到輸出信號y2(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)輸出的驅(qū)動信號u1p(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)作用于閉環(huán)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)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)特征方程為1+c2(s)g22(s)＝0，閉環(huán)特征方程中不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的未知網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的指數(shù)項(xiàng)和從而可降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)動態(tài)控制性能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補(bǔ)償與spc。

在閉環(huán)控制回路1和回路2中，控制器c1(s)和c2(s)的選擇：

控制器c1(s)和c2(s)可根據(jù)被控對象g11(s)和g22(s)及g21(s)和g12(s)的數(shù)學(xué)模型，以及其模型參數(shù)的變化，既可選擇常規(guī)控制策略，亦可選擇智能控制或復(fù)雜控制策略；可從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)與具體控制器c1(s)和c2(s)的控制策略的選擇無關(guān)。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，或預(yù)估模型與其真實(shí)模型之間存在一定的偏差時采用控制回路1的spc；以及被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知時采用控制回路2的spc；所構(gòu)成的一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償與控制；其研究思路與方法，同樣也適用于被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，或預(yù)估模型與其真實(shí)模型之間存在一定的偏差時采用控制回路1的spc；以及被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知時采用控制回路2的spc；所構(gòu)成的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(mimo-ndcs)未知網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償與控制。

本發(fā)明的特征在于該方法包括以下步驟：

對于閉環(huán)控制回路1：

(1).當(dāng)傳感器s1節(jié)點(diǎn)被周期為h1的采樣信號觸發(fā)時，將采用方式a進(jìn)行工作；

(2).當(dāng)控制器c1節(jié)點(diǎn)被反饋信號y1b(s)觸發(fā)時，將采用方式b進(jìn)行工作；

(3).當(dāng)解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)被信號u1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)觸發(fā)時，將采用方式c進(jìn)行工作；

對于閉環(huán)控制回路2：

(4).當(dāng)傳感器s2節(jié)點(diǎn)被周期為h2的采樣信號觸發(fā)時，將采用方式d進(jìn)行工作；

(5).當(dāng)控制器c2節(jié)點(diǎn)被反饋信號y2(s)觸發(fā)時，將采用方式e進(jìn)行工作；

(6).當(dāng)解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)被信號e2(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)觸發(fā)時，將采用方式f進(jìn)行工作；

方式a的步驟包括：

a1：傳感器s1節(jié)點(diǎn)工作于時間驅(qū)動方式，其觸發(fā)信號為周期h1的采樣信號；

a2：傳感器s1節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)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(shù)g12(s)的輸出信號y12(s)，以及解耦執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)的輸出信號y11mb(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)輸出信號y1(s)和反饋信號y1b(s)，且y1(s)＝y(tǒng)11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y(tǒng)1(s)-y11mb(s)；

a3：將反饋信號y1b(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器c1節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號y1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ2后，才能到達(dá)控制器c1節(jié)點(diǎn)；

方式b的步驟包括：

b1：控制器c1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發(fā)；

b2：在控制器c1節(jié)點(diǎn)中，將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號x1(s)，減去反饋信號y1b(s)和被控對象預(yù)估模型g11m(s)的輸出值y11ma(s)，得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)；

b3：對e1(s)實(shí)施控制算法c1(s)，得到控制信號u1(s)；

b4：將控制信號u1(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)傳輸，信號u1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ1后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)；

方式c的步驟包括：

c1：解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被信號u1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)所觸發(fā)；

c2：將信號u1(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；

c3：將信號u1(s)作用于交叉解耦通道p21(s)單元得到其輸出信號yp21(s)；

c4：將信號yp21(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路2的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)傳輸；信號yp21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ21后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)；

c5：將信號u1(s)與來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)的信號u2(s)通過交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)相減得到信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；

c6：將信號u1p(s)作用于被控對象g11(s)得到其輸出值y11(s)；將信號u1p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)得到其輸出值y21(s)；從而實(shí)現(xiàn)對被控對象g11(s)和g21(s)的解耦與控制，同時實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)未知時延τ1和τ2的補(bǔ)償與spc；

方式d的步驟包括：

d1：傳感器s2節(jié)點(diǎn)工作于時間驅(qū)動方式，其觸發(fā)信號為周期h2的采樣信號；

d2：傳感器s2節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)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(shù)g21(s)的輸出信號y21(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號y2(s)，且y2(s)＝y(tǒng)22(s)+y21(s)；

d3：將反饋信號y2(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器c2節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號y2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ4后，才能到達(dá)控制器c2節(jié)點(diǎn)；

方式e的步驟包括：

e1：控制器c2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y2(s)所觸發(fā)；

e2：在控制器c2節(jié)點(diǎn)中，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號x2(s)，與反饋信號y2(s)相加并相減后，得到信號e2(s)，即e2(s)＝x2(s)+y2(s)-y2(s)＝x2(s)；

e3：將信號e2(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)傳輸，e2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ3后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)；

方式f的步驟包括：

f1：解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被信號e2(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)所觸發(fā)；

f2：將信號e2(s)與反饋信號y2(s)相減得到信號e3(s)，即e3(s)＝e2(s)-y2(s)；對e3(s)實(shí)施控制算法c2(s)，得到控制信號u2(s)；

f3：將信號u2(s)作用于交叉解耦通道p12(s)單元得到其輸出信號yp12(s)；

f4：將信號yp12(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)傳輸；信號yp12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ12后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)；

f5：將信號u2(s)與來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)的信號u1(s)通過交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

f6：將信號u2p(s)作用于被控對象g22(s)得到其輸出值y22(s)；將信號u2p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g12(s)得到其輸出值y12(s)；從而實(shí)現(xiàn)對被控對象g22(s)和g12(s)的解耦與控制，同時實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)未知時延τ3和τ4的補(bǔ)償與spc。

本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、由于從結(jié)構(gòu)上免除對tito-ndcs中，未知網(wǎng)絡(luò)時延的測量、觀測、估計(jì)或辨識，同時還可免除節(jié)點(diǎn)時鐘信號同步的要求，可避免時延估計(jì)模型不準(zhǔn)確造成的估計(jì)誤差，避免對時延辨識所需耗費(fèi)節(jié)點(diǎn)存貯資源的浪費(fèi)，同時還可避免由于時延造成的“空采樣”或“多采樣”帶來的補(bǔ)償誤差。

2、由于從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)與具體的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān)，因而既適用于采用有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的tito-ndcs，亦適用于采用無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的tito-ndcs；既適用于確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，亦適用于非確定性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；既適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的tito-ndcs，同時亦適用于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的tito-ndcs。

3、由于從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)與具體控制器c1(s)和c2(s)的控制策略的選擇無關(guān)，因而既可用于采用常規(guī)控制的tito-ndcs，亦可用于采用智能控制或采用復(fù)雜控制策略的tito-ndcs。

4、由于本發(fā)明采用的是“軟件”改變tito-ndcs結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償與控制方法，因而在其實(shí)現(xiàn)過程中無需再增加任何硬件設(shè)備，利用現(xiàn)有tito-ndcs智能節(jié)點(diǎn)自帶的軟件資源，足以實(shí)現(xiàn)其補(bǔ)償與控制功能，可節(jié)省硬件投資便于推廣和應(yīng)用。

附圖說明

圖1：ncs的典型結(jié)構(gòu)

圖1由傳感器s節(jié)點(diǎn)，控制器c節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行器a節(jié)點(diǎn)，被控對象，前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元以及反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元所組成。

圖1中：x(s)表示系統(tǒng)輸入信號；y(s)表示系統(tǒng)輸出信號；c(s)表示控制器；u(s)表示控制信號；τca表示將控制信號u(s)從控制器c節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行器a節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；τsc表示將傳感器s節(jié)點(diǎn)的檢測信號y(s)向控制器c節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；g(s)表示被控對象傳遞函數(shù)。

圖2：mimo-ndcs的典型結(jié)構(gòu)

圖2由r個傳感器s節(jié)點(diǎn)，控制器c節(jié)點(diǎn)，m個解耦執(zhí)行器da節(jié)點(diǎn)，被控對象g，m個前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延單元，以及r個反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延單元所組成。

圖2中：yj(s)表示系統(tǒng)的第j個輸出信號；ui(s)表示第i個控制信號；表示將控制信號ui(s)從控制器c節(jié)點(diǎn)向第i個解耦執(zhí)行器da節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；表示將第j個傳感器s節(jié)點(diǎn)的檢測信號yj(s)向控制器c節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；g表示被控對象傳遞函數(shù)。

圖3：tito-ndcs的典型結(jié)構(gòu)

圖3由閉環(huán)控制回路1和2所構(gòu)成，其系統(tǒng)包含傳感器s1和s2節(jié)點(diǎn)，控制器c1和c2節(jié)點(diǎn)，解耦執(zhí)行器da1和da2節(jié)點(diǎn)，被控對象傳遞函數(shù)g11(s)和g22(s)以及被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)和g12(s)，前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元和以及反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元和交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和p12(s)，以及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元和所組成。

圖3中：x1(s)和x2(s)表示系統(tǒng)的輸入信號；y1(s)和y2(s)表示系統(tǒng)的輸出信號；c1(s)和c2(s)表示控制回路1和2的控制器；u1(s)和u2(s)表示控制信號；yp21(s)和yp12(s)表示交叉解耦通道輸出信號；u1p(s)和u2p(s)是解耦執(zhí)行器da1和da2節(jié)點(diǎn)的輸出驅(qū)動信號；τ21和τ12表示將交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和p12(s)的輸出信號yp21(s)和yp12(s)向解耦執(zhí)行器da2和da1節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；τ1和τ3表示將控制信號u1(s)和u2(s)從控制器c1和c2節(jié)點(diǎn)向解耦執(zhí)行器da1和da2節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；τ2和τ4表示將傳感器s1和s2節(jié)點(diǎn)的檢測信號y1(s)和y2(s)向控制器c1和c2節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延。

圖4：一種包含預(yù)估模型的tito-ndcs時延補(bǔ)償與控制結(jié)構(gòu)

圖4中：g11m(s)是被控對象g11(s)的預(yù)估模型；c2m(s)是控制回路2控制器c2(s)的預(yù)估模型；以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時延以及的預(yù)估時延模型；以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時延以及的預(yù)估時延模型。

圖5：用真實(shí)模型代替預(yù)估模型的時延補(bǔ)償與控制結(jié)構(gòu)

圖6：一種雙輸入雙輸出ndcs未知時延的spc方法

具體實(shí)施方式

下面將通過參照附圖6詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)。

具體實(shí)施步驟如下所述：

對于閉環(huán)控制回路1：

第一步：傳感器s1節(jié)點(diǎn)工作于時間驅(qū)動方式，當(dāng)傳感器s1節(jié)點(diǎn)被周期為h1的采樣信號觸發(fā)后，將對被控對象g11(s)的輸出信號y11(s)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g12(s)的輸出信號y12(s)，以及執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)的輸出信號y11mb(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)輸出信號y1(s)和反饋信號y1b(s)，且y1(s)＝y(tǒng)11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y(tǒng)1(s)-y11mb(s)；

第二步：傳感器s1節(jié)點(diǎn)將反饋信號y1b(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器c1節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號y1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ2后，才能到達(dá)控制器c1節(jié)點(diǎn)；

第三步：控制器c1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號x1(s)，減去反饋信號y1b(s)和被控對象預(yù)估模型g11m(s)的輸出值y11ma(s)，得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)；對e1(s)實(shí)施控制算法c1(s)，得到控制信號u1(s)；

第四步：將控制信號u1(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)傳輸，信號u1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ1后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)；

第五步：解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被信號u1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)所觸發(fā)；

第六步：當(dāng)解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，將信號u1(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；

第七步：將信號u1(s)作用于交叉解耦通道p21(s)單元得到其輸出信號yp21(s)；將信號yp21(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路2的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)傳輸；信號yp21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ21后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)；

第八步：將信號u1(s)與來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)的信號u2(s)通過交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)相減得到信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；

第九步：將信號u1p(s)作用于被控對象g11(s)得到其輸出值y11(s)；將信號u1p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)得到其輸出值y21(s)；從而實(shí)現(xiàn)對被控對象g11(s)和g21(s)的解耦與控制，同時實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補(bǔ)償與spc；

第十步：返回第一步；

對于閉環(huán)控制回路2：

第一步：傳感器s2節(jié)點(diǎn)工作于時間驅(qū)動方式，當(dāng)傳感器s2節(jié)點(diǎn)被周期為h2的采樣信號觸發(fā)后，將對被控對象g22(s)的輸出信號y22(s)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)的輸出信號y21(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號y2(s)，且y2(s)＝y(tǒng)22(s)+y21(s)；

第二步：傳感器s2節(jié)點(diǎn)將反饋信號y2(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器c2節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號y2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ4后，才能到達(dá)控制器c2節(jié)點(diǎn)；

第三步：控制器c2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y2(s)所觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號x2(s)，與反饋信號y2(s)相加并相減后，得到信號e2(s)，即e2(s)＝x2(s)+y2(s)-y2(s)＝x2(s)；

第四步：將信號e2(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)傳輸，e2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ3后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)；

第五步：解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式，被信號e2(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)所觸發(fā)；

第六步：當(dāng)解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，將信號e2(s)與反饋信號y2(s)相減得到信號e3(s)，即e3(s)＝e2(s)-y2(s)；對e3(s)實(shí)施控制算法c2(s)，得到控制信號u2(s)；將信號u2(s)作用于交叉解耦通道p12(s)單元得到其輸出信號yp12(s)；將信號yp12(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)傳輸；信號yp12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ12后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)；

第七步：將控制信號u2(s)與來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)的信號u1(s)通過交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

第八步：將信號u2p(s)作用于被控對象g22(s)得到其輸出值y22(s)；將信號u2p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g12(s)得到其輸出值y12(s)；從而實(shí)現(xiàn)對被控對象g22(s)和g12(s)的解耦與控制，同時實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的補(bǔ)償與spc；

第九步：返回第一步；

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而己，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。