[發(fā)明專利]一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)未知時(shí)延補(bǔ)償方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710091221.8
• 申請(qǐng)日: 2017-02-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106814617A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 海南大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
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• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自動(dòng)控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的交叉領(lǐng)域，尤其涉及帶寬資源有限的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

通過(guò)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked control systems，NCS)，NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

NCS突破傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在空間物理位置上的限制，將系統(tǒng)單元改用網(wǎng)絡(luò)連接，使智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備集成一體化、業(yè)務(wù)管理網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)化、節(jié)點(diǎn)智能化、控制現(xiàn)場(chǎng)化、功能分散化、系統(tǒng)開(kāi)放化及產(chǎn)品集成化。與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制模式相比，網(wǎng)絡(luò)化的控制模式減少布線成本、方便設(shè)備維護(hù)、增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴⒐蚕砭W(wǎng)絡(luò)信息資源等。近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于過(guò)程自動(dòng)化、制造業(yè)自動(dòng)化、航空航天、機(jī)器人、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域。

在NCS中，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬受限，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延以及參數(shù)不確定性等因素對(duì)系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的影響，使得NCS的分析和綜合變得更加困難，NCS面臨諸多新的挑戰(zhàn)，尤其是未知網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的存在，可降低NCS的控制質(zhì)量，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于NCS的研究，主要是針對(duì)單輸入單輸出(Single-input and single-output，SISO)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延已知、未知或隨機(jī)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小于一個(gè)采樣周期或大于一個(gè)采樣周期，單包傳輸或多包傳輸，有無(wú)數(shù)據(jù)包丟失等情況下，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模或穩(wěn)定性分析與控制。但針對(duì)實(shí)際工業(yè)過(guò)程中，普遍存在的至少包含兩個(gè)輸入與兩個(gè)輸出(Two-input and two-output，TITO)的控制系統(tǒng)所構(gòu)成的多輸入多輸出(Multiple-input and multiple-output，MIMO)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究則相對(duì)較少，尤其是針對(duì)輸入與輸出信號(hào)之間，存在耦合作用需要通過(guò)解耦處理的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(Networked decoupling control systems，NDCS)時(shí)延補(bǔ)償?shù)难芯砍晒麆t相對(duì)更少。

MIMO-NDCS的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與SISO-NCS相比，MIMO-NDCS具有以下特點(diǎn)：

(1)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)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(gè)輸入信號(hào)的變化將會(huì)使多個(gè)輸出信號(hào)發(fā)生變化，而各個(gè)輸出信號(hào)也不只受到一個(gè)輸入信號(hào)的影響。即使輸入與輸出信號(hào)之間經(jīng)過(guò)精心選擇配對(duì)，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(hào)獨(dú)立跟蹤各自的輸入信號(hào)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(hào)之間的耦合作用。

(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比SISO-NCS要復(fù)雜得多

(3)被控對(duì)象可能存在不確定性因素

在MIMO-NDCS中，涉及的參數(shù)較多，各控制回路間的聯(lián)系較多，參數(shù)變動(dòng)對(duì)整體控制效果的影響會(huì)變得很復(fù)雜。

(4)控制部件失效

在MIMO-NDCS中，至少包含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的閉環(huán)控制回路，至少包含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的傳感器和執(zhí)行器。每一個(gè)元件的失效都可能影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使控制系統(tǒng)不穩(wěn)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(jìn)行設(shè)計(jì)與控制的方法，已無(wú)法滿足MIMO-NDCS的控制性能與控制質(zhì)量的要求，使其不能或不能直接應(yīng)用于MIMO-NDCS的設(shè)計(jì)與分析中，給MIMO-NDCS的控制與設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。

對(duì)于MIMO-NDCS，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償與控制的難點(diǎn)主要在于：

(1)由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)包大小等因素有關(guān)，對(duì)大于數(shù)個(gè)乃至數(shù)十個(gè)采樣周期的未知網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，要建立MIMO-NDCS中各個(gè)控制回路的未知網(wǎng)絡(luò)時(shí)延準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、估計(jì)或辨識(shí)的數(shù)學(xué)模型，目前幾乎是不可能的。

(2)發(fā)生在MIMO-NDCS中，前一個(gè)節(jié)點(diǎn)向后一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，在前一個(gè)節(jié)點(diǎn)中無(wú)論采用何種預(yù)測(cè)或估計(jì)方法，都不可能事先提前知道其后產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延準(zhǔn)確值。時(shí)延導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)也給控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。

(3)要滿足MIMO-NDCS中，不同分布地點(diǎn)的所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)完全同步是不現(xiàn)實(shí)的。