一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)未知時延imc(internalmodelcontrol,imc)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)的交叉領(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):
通過實(shí)時通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng),稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networkedcontrolsystems,ncs),ncs的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
ncs突破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在空間物理位置上的限制,將系統(tǒng)單元改用網(wǎng)絡(luò)連接,使智能現(xiàn)場設(shè)備集成一體化、業(yè)務(wù)管理網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)點(diǎn)智能化、控制現(xiàn)場化、功能分散化、系統(tǒng)開放化及產(chǎn)品集成化。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)控制模式相比,網(wǎng)絡(luò)化的控制模式減少布線成本、方便設(shè)備維護(hù)、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、共享網(wǎng)絡(luò)信息資源等。近年來已被廣泛應(yīng)用于過程自動化、制造業(yè)自動化、航空航天、機(jī)器人、智能交通等多個領(lǐng)域。
在ncs中,由于網(wǎng)絡(luò)帶寬受限,網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延以及參數(shù)不確定性等因素對系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的影響,使得ncs的分析和綜合變得更加困難,ncs面臨諸多新的挑戰(zhàn),尤其是未知網(wǎng)絡(luò)時延的存在,可降低ncs的控制質(zhì)量,甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。
目前,國內(nèi)外關(guān)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)時延已知、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)建模或穩(wěn)定性分析與控制。但針對實(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)的控制系統(tǒng),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-ndcs中的一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(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)是控制單元,g11(s)是被控對象;τ1表示將控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)輸出信號u1p(s),經(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)綀?zhí)行器a1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)娇刂平怦钇鱟d1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中控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)輸出信號u2p(s),通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)及其網(wǎng)絡(luò)通路單元
3)來自閉環(huán)控制回路2中執(zhí)行器a2節(jié)點(diǎn)的輸出信號u2p(s),通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g12(s)影響閉環(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)至(3)的分母
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)是控制單元,g22(s)是被控對象;τ3表示將控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)輸出信號u2p(s),經(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)綀?zhí)行器a2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)娇刂平怦钇鱟d2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中控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)輸出信號u1p(s),通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)及網(wǎng)絡(luò)通路單元
3)來自閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)的輸出信號u1p(s),通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)影響閉環(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)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(4)至(6)的分母
發(fā)明目的:
針對圖3的tito-ndcs,其閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(1)至(3)的分母中,均包含了未知網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的指數(shù)項(xiàng)
為此,本發(fā)明提出一種基于imc(internalmodelcontrol,imc)的時延補(bǔ)償方法,免除對各閉環(huán)控制回路中,節(jié)點(diǎn)之間網(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;當(dāng)預(yù)估模型等于其真實(shí)模型時,可實(shí)現(xiàn)各自閉環(huán)控制回路的特征方程中不包含網(wǎng)絡(luò)時延的指數(shù)項(xiàng),進(jìn)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)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imc。
采用方法:
針對圖3中的閉環(huán)控制回路1:
第一步:在控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)中,首先構(gòu)建一個內(nèi)模控制器c1imc(s)用于取代控制器c1(s);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,采用以控制解耦輸出信號u1p(s)和yp12(s)以及u2pm(s)作為輸入信號,被控對象預(yù)估模型g11m(s)和g12m(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
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,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,還必須滿足網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型
針對圖3中的閉環(huán)控制回路2:
第一步:在控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)中,首先構(gòu)建一個內(nèi)??刂破鱟2imc(s)用于取代控制器c2(s);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τ3和τ4的補(bǔ)償與控制,采用以控制解耦輸出信號u2p(s)和yp21(s)以及u1pm(s)作為輸入信號,被控對象預(yù)估模型g22m(s)和g21m(s)作為被控過程,控制與過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)時延傳輸預(yù)估模型
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,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,還必須滿足網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型
對于圖5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;c1imc(s)是內(nèi)??刂破?。
2)來自閉環(huán)控制回路2控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)的輸出信號u2p(s),通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)和其網(wǎng)絡(luò)傳輸通道
3)來自閉環(huán)控制回路2執(zhí)行器a2節(jié)點(diǎn)的控制信號u2p(s),同時通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g12(s)和其預(yù)估模型g12m(s)作用于閉環(huán)控制回路1,從輸入信號u2p(s)到輸出信號y1(s)之間的閉環(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)模型時,即當(dāng)g11m(s)=g11(s)時,閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)傳遞函數(shù)分母將由
對于圖5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:g22m(s)是被控對象g22(s)的預(yù)估模型;c2imc(s)是內(nèi)模控制器。
2)來自閉環(huán)控制回路1控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)的輸出信號u1p(s),通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和其網(wǎng)絡(luò)傳輸通道
3)來自閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)的控制信號u1p(s),同時通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)g21(s)和其預(yù)估模型g21m(s)作用于閉環(huán)控制回路2,從輸入信號u1p(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環(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)模型時,即當(dāng)g22m(s)=g22(s)時,閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)傳遞函數(shù)分母將由
內(nèi)??刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)的設(shè)計(jì)與選擇:
設(shè)計(jì)內(nèi)??刂破饕话悴捎昧銟O點(diǎn)相消法,即兩步設(shè)計(jì)法:
第一步是設(shè)計(jì)一個取之為被控對象模型的逆模型作為前饋控制器c11(s)和c22(s);
第二步是在前饋控制器中添加一定階次的前饋濾波器f1(s)和f2(s),構(gòu)成一個完整的內(nèi)??刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)。
(1)前饋控制器c11(s)和c22(s)
先忽略被控對象與被控對象模型不完全匹配時的誤差、系統(tǒng)的干擾及其它各種約束條件等因素,選擇閉環(huán)控制回路1和回路2中,被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型,即:g11m(s)=g11(s),g22m(s)=g22(s)。
此時,被控對象預(yù)估模型可以根據(jù)被控對象的零極點(diǎn)分布狀況劃分為:g11m(s)=g11m+(s)g11m-(s)和g22m(s)=g22m+(s)g22m-(s),其中:g11m+(s)和g22m+(s)分別為被控對象預(yù)估模型g11m(s)和g22m(s)中包含純滯后環(huán)節(jié)和s右半平面零極點(diǎn)的不可逆部分;g11m-(s)和g22m-(s)分別為被控對象預(yù)估模型中的最小相位可逆部分。
通常情況下,閉環(huán)控制回路1和回路2的前饋控制器c11(s)和c22(s)可分別選取為:
(2)前饋濾波器f1(s)和f2(s)
由于被控對象中的純滯后環(huán)節(jié)和位于s右半平面的零極點(diǎn)會影響前饋控制器的物理實(shí)現(xiàn)性,因而在前饋控制器的設(shè)計(jì)過程中只取了被控對象最小相位的可逆部分g11m-(s)和g22m-(s),忽略了g11m+(s)和g22m+(s);由于被控對象與被控對象預(yù)估模型之間可能不完全匹配而存在誤差,系統(tǒng)中還可能存在干擾信號,這些因素都有可能使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。為此,在前饋控制器中添加一定階次的前饋濾波器,用于降低以上因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,提高系統(tǒng)的魯棒性。
通常把閉環(huán)控制回路1的前饋濾波器f1(s),以及控制回路2的前饋濾波器f2(s),分別選取為比較簡單的n1和n2階濾波器
(3)內(nèi)模控制器c1imc(s)和c2imc(s)
閉環(huán)控制回路1和回路2的內(nèi)??刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)可分別選取為:
和
從等式(13)和(14)中可以看出:一個自由度的內(nèi)模控制器c1imc(s)和c2imc(s)中,都只有一個可調(diào)節(jié)參數(shù)λ1和λ2,由于λ1和λ2參數(shù)的變化與系統(tǒng)的跟蹤性能和抗干擾能力都有著直接的關(guān)系,因此在整定濾波器的可調(diào)節(jié)參數(shù)λ1和λ2時,一般需要在系統(tǒng)的跟蹤性與抗干擾能力兩者之間進(jìn)行折衷。
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imc;其研究思路與方法,同樣適用于被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型的兩個以上輸入和輸出所構(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imc。
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)控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)被反饋信號y1b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路
(3).當(dāng)執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)被控制解耦信號u1p(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)控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)被反饋信號y2b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路
(6).當(dāng)執(zhí)行器a2節(jié)點(diǎn)被控制解耦信號u2p(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),以及執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)的輸出信號y11mb(s)和y12mb(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)-y12mb(s);
a3: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)通路向控制解耦器cd1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)控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn);
方式b的步驟包括:
b1:控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被反饋信號y1b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路
b2:在控制解耦器cd1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)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型g12m(s)的輸出值y12ma(s)后再加上被控對象預(yù)估模型g11m(s)的輸出值y11ma(s),得到系統(tǒng)偏差信號e1(s),即e1(s)=x1(s)-y1b(s)-y12ma(s)+y11ma(s);
b3:對e1(s)實(shí)施內(nèi)??刂扑惴╟1imc(s),得到imc信號u1(s);
b4:將imc信號u1(s),減去來自于控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)通過解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)和網(wǎng)絡(luò)通路
b5:將yp12(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11ma(s);將yp12(s)作用于傳遞函數(shù)1/p12(s)得到其輸出值u2pm(s),將u2pm(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型g12m(s)得到其輸出值y12ma(s);
b6:將u1p(s)作用于解耦通道傳遞函數(shù)p21(s),并將p21(s)的輸出信號yp21(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
b7:將控制解耦信號u1p(s),通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路
方式c的步驟包括:
c1:執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被控制解耦信號u1p(s)所觸發(fā);
c2:將控制解耦信號u1p(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(s);將來自于閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路
c3:將控制解耦信號u1p(s)作用于被控對象g11(s)得到其輸出值y11(s);將控制解耦信號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imc,同時實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補(bǔ)償;
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),以及執(zhí)行器a2節(jié)點(diǎn)的輸出信號y22mb(s)和y21mb(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)和反饋信號y2b(s),且y2(s)=y(tǒng)22(s)+y21(s)和y2b(s)=y(tǒng)2(s)-y22mb(s)-y21mb(s);
d3:傳感器s2節(jié)點(diǎn)將反饋信號y2b(s),通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)傳輸,反饋信號y2b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ4后,才能到達(dá)控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn);
方式e的步驟包括:
e1:控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被反饋信號y2b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路
e2:在控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)中,將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號x2(s),減去反饋信號y2b(s)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型g21m(s)的輸出值y21ma(s)后再加上被控對象預(yù)估模型g22m(s)的輸出值y22ma(s),得到系統(tǒng)偏差信號e2(s),即e2(s)=x2(s)-y2b(s)-y21ma(s)+y22ma(s);
e3:對e2(s)實(shí)施內(nèi)??刂扑惴╟2imc(s),得到imc信號u2(s);
e4:將imc信號u2(s),減去來自于控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)通過解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和網(wǎng)絡(luò)通路
e5:將yp21(s)作用于被控對象預(yù)估模型g22m(s)得到其輸出值y22ma(s);將yp21(s)作用于傳遞函數(shù)1/p21(s)得到其輸出值u1pm(s),將u1pm(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型g21m(s)得到其輸出值y21ma(s);
e6:將u2p(s)作用于解耦通道傳遞函數(shù)p12(s),并將p12(s)的輸出信號yp12(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
e7:將控制解耦信號u2p(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路
方式f的步驟包括:
f1:執(zhí)行器a2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被控制解耦信號u2p(s)所觸發(fā);
f2:將控制解耦信號u2p(s)作用于被控對象預(yù)估模型g22m(s)得到其輸出值y22mb(s);將來自于閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路
f3:將控制解耦信號u2p(s)作用于被控對象g22(s)得到其輸出值y22(s);將控制解耦信號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imc,同時實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的補(bǔ)償。
本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
1、由于從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)免除對tito-ndcs中,所有網(wǎng)絡(luò)通路網(wǎng)絡(luò)時延的測量、觀測、估計(jì)或辨識,同時還可免除對節(jié)點(diǎn)時鐘信號同步的要求,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),以及由于時延造成的“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、采用imc的tito-ndcs,其內(nèi)??刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)的可調(diào)參數(shù)只有λ1和λ2,其參數(shù)的調(diào)節(jié)與選擇簡單,且物理意義明確;采用imc不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能與抗干擾性能,而且還可實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補(bǔ)償與控制。
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中,系統(tǒng)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
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)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中,系統(tǒng)由r個傳感器s節(jié)點(diǎn),控制解耦器cd節(jié)點(diǎn),m個執(zhí)行器a節(jié)點(diǎn),被控對象g,m個前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延
圖2中:yj(s)表示系統(tǒng)的第j個輸出信號;ui(s)表示系統(tǒng)的第i個控制信號;
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,系統(tǒng)包含傳感器s1和s2節(jié)點(diǎn),控制解耦器cd1和cd2節(jié)點(diǎn),執(zhí)行器a1和a2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),交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和p12(s),前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元
圖3中:x1(s)和x2(s)表示系統(tǒng)輸入信號;y1(s)和y2(s)表示系統(tǒng)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)表示交叉解耦通路輸出信號;u1p(s)和u2p(s)表示控制解耦信號;τ1和τ3表示將控制解耦信號u1p(s)和u2p(s)從控制解耦器cd1和cd2節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行器a1和a2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)向控制解耦器cd1和cd2節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延;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)向控制解耦器cd2和cd1節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的網(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imc結(jié)構(gòu)
圖4中,
圖5:一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)未知時延imc方法
圖5可實(shí)現(xiàn)對閉環(huán)控制回路1和2中未知時延的補(bǔ)償與imc。
具體實(shí)施方式
下面將通過參照附圖5來詳細(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,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)和y12mb(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)-y12mb(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)通路向控制解耦器cd1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)控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn);
第三步:控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被反饋信號y1b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路
第四步:將imc信號u1(s)減去來自于控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)通過解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)和網(wǎng)絡(luò)通路
第五步:將yp12(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11ma(s);將yp12(s)作用于傳遞函數(shù)1/p12(s)得到其輸出值u2pm(s),將u2pm(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型g12m(s)得到其輸出值y12ma(s);
第六步:將u1p(s)作用于解耦通道傳遞函數(shù)p21(s),并將p21(s)的輸出信號yp21(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
第七步:將控制解耦信號u1p(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路
第八步:執(zhí)行器a1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被控制解耦信號u1p(s)觸發(fā)后,將控制解耦信號u1p(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(s);將來自于閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路
第九步:將控制解耦信號u1p(s)作用于被控對象g11(s)得到其輸出值y11(s);將控制解耦信號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imc,同時實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補(bǔ)償;
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,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),以及執(zhí)行器a2節(jié)點(diǎn)的輸出信號y22mb(s)和y21mb(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)和反饋信號y2b(s),且y2(s)=y(tǒng)22(s)+y21(s)和y2b(s)=y(tǒng)2(s)-y22mb(s)-y21mb(s);
第二步:傳感器s2節(jié)點(diǎn)將反饋信號y2b(s),通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)傳輸,反饋信號y2b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ4后,才能到達(dá)控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn);
第三步:控制解耦器cd2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被反饋信號y2b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路
第四步:將控制信號u2(s)減去來自于控制解耦器cd1節(jié)點(diǎn)通過解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和網(wǎng)絡(luò)通路
第五步:將yp21(s)作用于被控對象預(yù)估模型g22m(s)得到其輸出值y22ma(s);將yp21(s)作用于傳遞函數(shù)1/p21(s)得到其輸出值u1pm(s);將u1pm(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型g21m(s)得到其輸出值y21ma(s);
第六步:將u2p(s)作用于解耦通道傳遞函數(shù)p12(s),并將p12(s)的輸出信號yp12(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
第七步:將控制解耦信號u2p(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路
第八步:執(zhí)行器a2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動方式,被控制解耦信號u2p(s)觸發(fā)后,將控制解耦信號u2p(s)作用于被控對象預(yù)估模型g22m(s)得到其輸出值y22mb(s);將來自于閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路
第九步:將控制解耦信號u2p(s)作用于被控對象g22(s)得到其輸出值y22(s);將控制解耦信號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imc,同時實(shí)現(xiàn)對未知網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的補(bǔ)償;
第十步: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)。