[發明專利]兩輸入兩輸出網絡解耦控制系統時變時延二自由度IMC方法

在審

• 申請號: 201710091169.6
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN107065525A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 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

兩輸入兩輸出網絡解耦控制系統時變時延二自由度IMC(Internal Model Control，IMC)涉及自動控制，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解耦控制系統技術領域。

背景技術

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。

NCS與傳統的點對點結構的控制系統相比，可實現資源共享、遠程操作與控制、具有極高的診斷能力、安裝與維護簡便、增加了系統的靈活性和可靠性等諸多優點。遠程遙操作、遙醫學、遠程教學、無線網絡機器人、某些兵器系統以及新興的以現場總線及工業以太網為基礎的控制系統均屬于NCS的范疇，此外，NCS在航空航天領域以及復雜、危險的工業控制領域也有廣闊的應用，對其研究正成為國際學術界的一個熱點課題。

在NCS中，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。當NCS的傳感器、控制器和執行器之間通過網絡交換數據時，必然會導致網絡時延，從而會降低系統的性能甚至引起系統的不穩定。由于網絡中的信息源很多，傳輸數據流經眾多計算機和通訊設備且路徑非唯一；或由于網絡帶寬的限制以及傳輸機制的影響，網絡擁塞或連接中斷等原因，將導致網絡數據包的時序錯亂和數據包的丟失。雖然時延系統的分析和建模近年來已取得很大進展，但NCS中可能存在多種不同性質的時延(常數、有界、隨機、時變等)，使得現有的方法一般不能直接應用。傳統的控制理論在對系統進行分析和設計時，往往做了很多理想化的假定，如單率采樣、同步控制、無時延傳輸和調節。而在NCS中，由于控制回路存在網絡，上述假設通常是不成立的，因此傳統控制理論都要重新評估才能應用到NCS中。

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。但針對實際工業過程中，普遍存在的至少包含兩個輸入輸出(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和MIMO-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：