[發明專利]一種雙輸入雙輸出網絡解耦控制系統隨機時延補償方法

在審

• 申請號: 201710091184.0
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN107065526A
• 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

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

在網絡控制系統(Networked control system，NCS)中，傳感器、控制器和執行器等系統組件通過實時網絡進行信息交換，NCS的典型結構如圖1所示。

NCS能使復雜的控制系統實現水平與垂直方向的集成，與傳統的控制系統相比，具有低成本，低功耗，安裝和維護簡便以及易于實現遠程控制等優點，在大型工業制造、航空航天和電力系統等領域得到普遍的應用。

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了很大的進展，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?；蚍€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：

(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隨機網絡時延，要建立MIMO-NDCS中各個控制回路的隨機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。