[發明專利]一種二輸入二輸出網絡解耦控制系統未知時延補償方法

在審

• 申請號: 201710091225.6
• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106814619A
• 公開（公告）日: 2017-06-09
• 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

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是集通信網絡和控制系統于一體的分布式控制系統，同時具備信號處理、優化決策和控制操作的功能，NCS的典型結構如圖1所示。

與傳統的點對點直接控制系統相比，NCS的最大特點是系統中的傳感器、控制器和執行器并不是直接的點對點連接，而是通過公共網絡交換數據和控制信息，打破了傳統控制系統在空間位置上的限制，可實現復雜環境下的系統控制和遠程監控，降低系統的布線復雜度及運作管理成本，提高控制系統的信息集成，增強系統的柔性和可靠性。

NCS憑借其交互性強、布線少、擴展和維護方便以及能夠實現資源共享等優點，廣泛應用于國防、航空航天、設備制造、智能交通、過程控制及經濟管理等領域。

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。尤其是未知網絡時延的存在，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二個輸入與二個輸出(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。