二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)隨機時延二自由度imc(internalmodelcontrol,imc)方法,涉及自動控制技術(shù),網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機技術(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):
在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)媒介形成閉環(huán),組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networkedcontrolsystems,ncs),ncs的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。
ncs為經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論注入了新的活力,同時也對其系統(tǒng)的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn):一方面,網(wǎng)絡(luò)的引入會帶來節(jié)省投資、易于維護等優(yōu)點;另一方面,也會帶來時延、數(shù)據(jù)丟包和其他復(fù)雜的現(xiàn)象,尤其是隨機網(wǎng)絡(luò)時延的存在,可降低ncs控制性能質(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,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,對其進行數(shù)學(xué)建?;蚍€(wěn)定性分析與控制。但針對實際工業(yè)過程中,普遍存在的至少包含二個輸入與二個輸出(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:
(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進行設(shè)計與控制的方法,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)計與分析中,給mimo-ndcs的控制與設(shè)計帶來了一定的困難。
對于mimo-ndcs,網(wǎng)絡(luò)時延補償與控制的難點主要在于:
(1)由于網(wǎng)絡(luò)時延與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負載、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)十個采樣周期的隨機網(wǎng)絡(luò)時延,要建立mimo-ndcs中各個控制回路的隨機網(wǎng)絡(luò)時延準(zhǔn)確的預(yù)測、估計或辨識的數(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)點向后一個節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過程中的網(wǎng)絡(luò)時延,在前一個節(jié)點中無論采用何種預(yù)測或估計方法,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)計帶來困難。
(3)要滿足mimo-ndcs中,不同分布地點的所有節(jié)點時鐘信號完全同步是不現(xiàn)實的。
(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,對其實施時延補償與控制要比mimo-ncs和siso-ncs困難得多。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明涉及mimo-ndcs中的一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)隨機時延的補償與控制,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)點所經(jīng)歷的隨機網(wǎng)絡(luò)時延;τ2表示將輸出信號y1(s)從傳感器s1節(jié)點,經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)娇刂平怦钇鱟d1節(jié)點所經(jīng)歷的隨機網(wǎng)絡(luò)時延。
2)來自閉環(huán)控制回路2中c2(s)控制單元的輸出信號u2(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執(zhí)行器a2節(jié)點的輸出信號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)點所經(jīng)歷的隨機網(wǎng)絡(luò)時延;τ4表示將輸出信號y2(s)從傳感器s2節(jié)點,經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)娇刂平怦钇鱟d2節(jié)點所經(jīng)歷的隨機網(wǎng)絡(luò)時延。
2)來自閉環(huán)控制回路1中c1(s)控制單元的輸出信號u1(s),通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)及其網(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,均包含了隨機網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的指數(shù)項
本發(fā)明的目的在于:
(1)為了免除對各閉環(huán)控制回路中,節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計或辨識,進而降低網(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)估模型等于其真實模型時,可實現(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,進而可降低網(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,實現(xiàn)對tito-ndcs隨機網(wǎng)絡(luò)時延的分段、實時、在線和動態(tài)的預(yù)估補償與控制。
(2)針對一自由度imc的tito-ndcs,由于其內(nèi)模控制器c1imc(s)和c2imc(s)中,只有一個前饋濾波器參數(shù)λ1和λ2可調(diào)節(jié),需要在系統(tǒng)的跟蹤性與魯棒性之間進行折衷,對于高性能要求的控制系統(tǒng)或存在較大擾動和模型失配的系統(tǒng),難以兼顧各方面的性能而獲得滿意的控制效果。
因此,本發(fā)明提出一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)隨機網(wǎng)絡(luò)時延二自由度imc方法。
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)點中,首先構(gòu)建一個內(nèi)??刂破鱟1imc(s)用于取代控制器c1(s);為了實現(xiàn)滿足預(yù)估補償條件時,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,以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補償與控制,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中要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補償與控制,除了要滿足被控對象預(yù)估模型等于其真實模型的條件外,還必須滿足隨機網(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);為了實現(xiàn)滿足預(yù)估補償條件時,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,以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的補償與控制,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中要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補償與控制,除了要滿足被控對象預(yù)估模型等于其真實模型的條件外,還必須滿足隨機網(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)??刂破鳎籪1(s)是反饋濾波器。
2)來自閉環(huán)控制回路2內(nèi)??刂破鱟2imc(s)的輸出imc信號u2(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)來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道
4)來自閉環(huán)控制回路2執(zhí)行器a2節(jié)點的控制信號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)??刂破鳎籪2(s)是反饋濾波器。
2)來自閉環(huán)控制回路1中內(nèi)模控制器c1imc(s)輸出imc信號u1(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)來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道
4)來自閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器a1節(jié)點的控制信號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
二自由度imc的設(shè)計
(1)內(nèi)??刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)的設(shè)計與選擇:
設(shè)計內(nèi)模控制器一般采用零極點相消法,即兩步設(shè)計法:第一步是設(shè)計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)模控制器c1imc(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右半平面的零極點會影響前饋控制器的物理實現(xiàn)性,因而在前饋控制器的設(shè)計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)??刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)
閉環(huán)控制回路1和回路2的內(nèi)模控制器c1imc(s)和c2imc(s)可分別選取為:
和
從等式(15)和(16)中可以看出:一個自由度的內(nèi)??刂破鱟1imc(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行折衷。
(2)反饋濾波器f1(s)和f2(s)的設(shè)計與選擇:
閉環(huán)控制回路1和回路2的反饋濾波器f1(s)和f2(s),可分別選取比較簡單的一階濾波器f1(s)=(λ1s+1)/(λ1fs+1)和f2(s)=(λ2s+1)/(λ2fs+1),其中:λ1和λ2為前饋濾波器f1(s)和f2(s)中的時間常數(shù),并與其參數(shù)選擇一致;λ1f和λ2f為反饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)。
通常情況下,在反饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)λ1f和λ2f固定不變的情況下,系統(tǒng)的跟蹤性能會隨著前饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)λ1和λ2的減小而變好;在前饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)λ1和λ2固定不變的情況下,系統(tǒng)的跟蹤性幾乎不變,而抗干擾能力則會隨著λ1f和λ2f的減小而變強。
因此,基于二自由度imc的tito-ndcs,可以通過合理選擇前饋濾波器f1(s)和f2(s)與反饋濾波器f1(s)和f2(s)的參數(shù),以提高系統(tǒng)的跟蹤性和抗干擾能力,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。
本發(fā)明的適用范圍:
適用于被控對象預(yù)估模型等于其真實模型,以及模型可能存在一定偏差的一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)隨機網(wǎng)絡(luò)時延的補償與二自由度imc;其研究思路與方法,同樣也適用于被控對象預(yù)估模型等于其真實模型,以及模型可能存在一定偏差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)隨機網(wǎng)絡(luò)時延的補償與二自由度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)點被周期為h1的采樣信號觸發(fā)時,將采用方式a進行工作;
(2).當(dāng)控制解耦器cd1節(jié)點被反饋信號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)點被控制解耦信號u1p(s)觸發(fā)時,將采用方式c進行工作;
對于閉環(huán)控制回路2:
(4).當(dāng)傳感器s2節(jié)點被周期為h2的采樣信號觸發(fā)時,將采用方式d進行工作;
(5).當(dāng)控制解耦器cd2節(jié)點被反饋信號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)點被控制解耦信號u2p(s)觸發(fā)時,將采用方式f進行工作;
方式a的步驟包括:
a1:傳感器s1節(jié)點工作于時間驅(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)點被觸發(fā)后,對被控對象g11(s)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)點的輸出信號y11mb(s)和y12mb(s)進行采樣,并計算出閉環(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,才能到達控制解耦器cd1節(jié)點;
方式b的步驟包括:
b1:控制解耦器cd1節(jié)點工作于事件驅(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:將反饋信號y1b(s)與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)和被控對象預(yù)估模型g11m(s)的輸出值y11ma(s)相加得到信號y1c(s),即y1c(s)=y(tǒng)1b(s)+y12ma(s)+y11ma(s);將y1c(s)作用于反饋濾波器f1(s)得到其輸出信號yf1(s);
b3:將閉環(huán)控制回路1給定信號x1(s),減去反饋濾波器f1(s)的輸出信號yf1(s),得到偏差信號e1(s),即e1(s)=x1(s)-yf1(s);對e1(s)實施內(nèi)??刂扑惴╟1imc(s),得到imc信號u1(s);
b4:將imc信號u1(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)得到其輸出信號yp21(s);將yp21(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
b5:將來自于控制解耦器cd2節(jié)點,通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)和網(wǎng)絡(luò)通路
b6:將解耦信號yp12(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11ma(s);將解耦信號yp12(s)與imc信號u1(s)相加,得到控制解耦信號u1p(s),即u1p(s)=y(tǒng)p12(s)+u1(s);
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);從而實現(xiàn)對被控對象g11(s)和g21(s)的解耦與二自由度imc,同時實現(xiàn)對隨機網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補償;
方式d的步驟包括:
d1:傳感器s2節(jié)點工作于時間驅(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)點被觸發(fā)后,對被控對象g22(s)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)點的輸出信號y22mb(s)和y21mb(s)進行采樣,并計算出閉環(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,才能到達控制解耦器cd2節(jié)點;
方式e的步驟包括:
e1:控制解耦器cd2節(jié)點工作于事件驅(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:將反饋信號y2b(s)與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)和被控對象預(yù)估模型g22m(s)的輸出值y22ma(s)相加得到信號y2c(s),即y2c(s)=y(tǒng)2b(s)+y21ma(s)+y22ma(s);將y2c(s)作用于反饋濾波器f2(s)得到其輸出信號yf2(s);
e3:將閉環(huán)控制回路2給定信號x2(s),減去反饋濾波器f2(s)的輸出信號yf2(s),得到偏差信號e2(s),即e2(s)=x2(s)-yf2(s);對e2(s)實施內(nèi)模控制算法c2imc(s),得到imc信號u2(s);
e4:將imc信號u2(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)得到其輸出信號yp12(s);將yp12(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
e5:將來自于控制解耦器cd1節(jié)點,通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和網(wǎng)絡(luò)通路
e6:將解耦信號yp21(s)作用于被控對象預(yù)估模型g22m(s)得到其輸出值y22ma(s);將解耦信號yp21(s)與imc信號u2(s)相加,得到控制解耦信號u2p(s),即u2p(s)=y(tǒng)p21(s)+u2(s);
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);從而實現(xiàn)對被控對象g22(s)和g12(s)的解耦與二自由度imc,同時實現(xiàn)對隨機網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的補償。
本發(fā)明具有如下特點:
1、由于從結(jié)構(gòu)上免除對tito-ndcs中,隨機網(wǎng)絡(luò)時延的測量、觀測、估計或辨識,同時免除節(jié)點時鐘信號同步的要求,進而可避免時延估計模型不準(zhǔn)確造成的估計誤差,避免對時延辨識所需耗費節(jié)點存貯資源的浪費,同時還可避免由于時延造成的“空采樣”或“多采樣”帶來的補償誤差。
2、由于從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上,實現(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、與一自由度imc的tito-ndcs各閉環(huán)控制回路的可調(diào)參數(shù)為1個相比,采用二自由度imc的tito-ndcs,其各閉環(huán)控制回路的可調(diào)參數(shù)為2個,采用本發(fā)明方法可進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能與抗干擾能力;尤其是當(dāng)系統(tǒng)存在較大擾動和模型失配時,反饋濾波器f1(s)和f2(s)的存在可進一步改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質(zhì)量,降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。
4、由于本發(fā)明采用的是“軟件”改變tito-ndcs結(jié)構(gòu)的補償與控制方法,因而在其實現(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)點自帶的軟件資源,足以實現(xiàn)其補償功能,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,控制器c節(jié)點,執(zhí)行器a節(jié)點,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)點向執(zhí)行器a節(jié)點傳輸所經(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)點的檢測信號y(s)向控制器c節(jié)點傳輸所經(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,控制解耦器cd節(jié)點,m個執(zhí)行器a節(jié)點,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,控制解耦器cd1和cd2節(jié)點,執(zhí)行器a1和a2節(jié)點,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)點向執(zhí)行器a1和a2節(jié)點傳輸所經(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)點的檢測信號y1(s)和y2(s)向控制解耦器cd1和cd2節(jié)點傳輸所經(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隨機時延補償與控制結(jié)構(gòu)
圖4中,
圖5:一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)隨機時延二自由度imc方法
圖5中,f1(s)和f2(s)是反饋濾波器。
具體實施方式
下面將通過參照附圖5來詳細描述本發(fā)明的示例性實施例,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。
具體實施步驟如下所述:
對于閉環(huán)控制回路1:
第一步:傳感器s1節(jié)點工作于時間驅(qū)動方式,當(dāng)傳感器s1節(jié)點被周期為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)點的輸出信號y11mb(s)和y12mb(s)進行采樣,并計算出閉環(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,才能到達控制解耦器cd1節(jié)點;
第三步:控制解耦器cd1節(jié)點工作于事件驅(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)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)得到輸出信號yp21(s);將yp21(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
第五步:將來自于控制解耦器cd2節(jié)點,通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)和其網(wǎng)絡(luò)通路
第六步:將解耦信號yp12(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11ma(s);將解耦信號yp12(s)與imc信號u1(s)相加,得到控制解耦信號u1p(s),即u1p(s)=y(tǒng)p12(s)+u1(s);
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);從而實現(xiàn)對被控對象g11(s)和g21(s)的解耦與二自由度imc,同時實現(xiàn)對隨機網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補償;
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)點工作于時間驅(qū)動方式,當(dāng)傳感器s2節(jié)點被周期為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)點的輸出信號y22mb(s)和y21mb(s)進行采樣,并計算出閉環(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,才能到達控制解耦器cd2節(jié)點;
第三步:控制解耦器cd2節(jié)點工作于事件驅(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imc信號u2(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)p12(s)得到輸出信號yp12(s);將yp12(s)通過網(wǎng)絡(luò)通路
第五步:將來自于控制解耦器cd1節(jié)點,通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和網(wǎng)絡(luò)通路
第六步:將解耦信號yp21(s)作用于被控對象預(yù)估模型g22m(s)得到其輸出值y22ma(s);將解耦信號yp21(s)與imc信號u2(s)相加,得到控制解耦信號u2p(s),即u2p(s)=y(tǒng)p21(s)+u2(s);
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);從而實現(xiàn)對被控對象g22(s)和g12(s)的解耦與二自由度imc,同時實現(xiàn)對隨機網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的補償;
第十步:返回第一步;
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而己,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、改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
本說明書中未作詳細描述的內(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)。