[發明專利]二輸入二輸出網絡控制系統時延補償與動態前饋加IMC方法

在審

• 申請號: 201710090723.9
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106814612A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 發明（設計）人: 杜鋒
• 申請（專利權）人: 海南大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

一種二輸入二輸出網絡控制系統時延補償與動態前饋加IMC(Internal Model Control，IMC)方法，涉及自動控制技術，網絡通信技術和計算機技術的交叉領域，尤其涉及帶寬資源有限的多輸入多輸出網絡控制系統技術領域。

背景技術

隨著網絡通信、計算機和控制技術的發展，以及生產過程控制日益大型化、廣域化、復雜化及網絡化的發展，越來越多的網絡技術應用于控制系統。網絡控制系統(Networked control systems，NCS)是指基于網絡的實時閉環反饋控制系統，NCS的典型結構如圖1所示。

NCS可實現復雜大系統及遠程控制，節點資源共享，增加系統的柔性和可靠性，近年來已被廣泛應用于復雜工業過程控制、電力系統、石油化工、軌道交通、航空航天、環境監測等多個領域。

在NCS中，當傳感器、控制器和執行器通過網絡交換數據時，網絡可能存在多包傳輸、多路徑傳輸、數據碰撞，網絡擁塞甚至連接中斷等現象，使得NCS面臨諸多新的挑戰。尤其是網絡時延的存在，可降低NCS的控制質量，甚至使系統失去穩定性，嚴重時可能導致系統出現故障。

目前，國內外對于NCS的研究，主要是針對單輸入單輸出(Single-input and single-output，SISO)網絡控制系統，分別在網絡時延恒定、未知或隨機，網絡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，有無數據包丟失等情況下，對其進行數學建模或穩定性分析與控制。但是，針對實際工業過程中，普遍存在的至少包含兩個輸入與兩個輸出(Two-input and two-output，TITO)所構成的多輸入多輸出(Multiple-input and multiple-output，MIMO)網絡控制系統的研究則相對較少，尤其是針對基于其系統結構的時延補償方法的研究成果則相對更少。

MIMO-NCS的典型結構如圖2所示。

與SISO-NCS相比，MIMO-NCS具有以下特點：

(1)輸入信號與輸出信號之間彼此影響并可能產生耦合作用

在MIMO-NCS中，一個輸入信號的變化可以使得多個輸出信號發生變化，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地跟蹤各自的輸入信號是有困難的。

(2)內部結構要比SISO-NCS復雜得多

(3)被控對象存在不確定性的因素較多

在MIMO-NCS中，涉及的參數較多，各控制回路間的聯系較多，被控對象參數變化對整體控制性能的影響會變得較為復雜。

(4)控制部件失效的可能性較大

在MIMO-NCS中，至少包含有兩個或兩個以上的閉環控制回路，并且至少包含有兩個或兩個以上的傳感器和執行器。每一個元件的失效都可能影響整個控制系統的性能質量，嚴重時會使系統不穩定，甚至造成重大事故。

由于MIMO-NCS的上述特殊性，使得基于SISO-NCS進行設計與控制的方法，已無法滿足MIMO-NCS的控制性能與控制質量的要求，使其不能或不能直接應用于MIMO-NCS的設計與控制中，給MIMO-NCS的設計與分析帶來了困難。

對于MIMO-NCS，網絡時延補償與控制的難點主要在于：

(1)由于網絡時延與網絡拓撲結構、通信協議、網絡負載、網絡帶寬和數據包大小等因素有關，對大于數個乃至數十個采樣周期的網絡時延，要建立MIMO-NCS中各個控制回路的網絡時延準確的預測、估計或辨識的數學模型，目前是有困難的。

(2)發生在MIMO-NCS中，前一個節點向后一個節點傳輸網絡數據過程中的網絡時延，在前一個節點中無論采用何種預測或估計方法，都不可能事先提前知道其后產生的網絡時延的準確值。時延導致系統性能下降甚至造成系統不穩定，同時也給控制系統的分析與設計帶來了困難。

(3)要滿足MIMO-NCS中，不同分布地點的所有節點時鐘信號完全同步是不現實的。

(4)由于MIMO-NCS中，輸入與輸出信號之間彼此影響，并可能產生耦合作用，系統內部的結構比SISO-NCS復雜，存在的不確定性因素較多，各控制回路的控制性能質量優劣與其穩定性問題將對整個系統的性能質量與穩定性產生影響和制約，其實施時延補償與控制要比SISO-NCS困難得多。

發明內容