[發明專利]一種雙輸入雙輸出網絡控制系統不確定時延SPC方法

在審

• 申請號: 201710091044.3
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106896717A
• 公開（公告）日: 2017-06-27
• 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

一種雙輸入雙輸出網絡控制系統不確定時延SPC(Smith Predictor Control，SPC)方法,涉及到自動控制，網絡通信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、不確定或隨機，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不確定網絡時延，要建立MIMO-NCS中各個控制回路的不確定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