[發明專利]一種雙輸入雙輸出網絡解耦控制系統網絡時延補償方法

在審

• 申請號: 201710090840.5
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106802558A
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 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

本發明涉及自動控制技術，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解耦控制系統技術領域。

背景技術

隨著控制對象的日益復雜化，以及計算機、通信和傳感技術的迅猛發展，使得現代控制系統的結構逐漸趨于分布化。在分布式控制系統中，傳感器與控制器，控制器與執行器之間，通過實時通信網絡構成的閉環反饋控制系統，稱為網絡控制系統(Networked control systems，NCS)，NCS的典型結構如圖1所示。

將網絡集成到控制系統中取代傳統的計算機控制系統中的點對點連線，具有很多優點，例如：布線成本降低，電纜重量減少，安裝過程簡化以及可靠性提高等。由此，便于實現系統的診斷和維護，同時也可提高系統柔性。但是，在反饋控制回路中加入通信網絡的同時，也增加了控制系統分析和設計的復雜性。由于網絡時延、數據丟包以及網絡擁塞等現象的存在，使得NCS面臨諸多新的挑戰。尤其是不確定網絡時延的存在，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，國內外關于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，分別在網絡時延已知、未知或不確定，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)的控制系統，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絡解耦控制系統(Networked decoupling control systems，NDCS)時延補償與控制的研究成果則相對更少。

MIMO-NDCS的典型結構如圖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。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)內部結構比SISO-NCS要復雜得多

(3)被控對象可能存在不確定性因素

在MIMO-NDCS中，涉及的參數較多，各控制回路間的聯系較多，參數變動對整體控制效果的影響會變得很復雜。

(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控制回路，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，嚴重時會使控制系統不穩定，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進行設計與控制的方法，已無法滿足MIMO-NDCS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-NDCS的設計與分析中，給MIMO-NDCS的控制與設計帶來了一定的困難。

對于MIMO-NDCS，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-NDCS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，目前幾乎是不可能的。

(2)發生在MIMO-NDCS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困難。

(3)要滿足MIMO-NDCS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，輸入與輸出之間彼此影響，并存在耦合作用，其MIMO-NDCS的內部結構要比MIMO-NCS和SISO-NCS復雜，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。