[發(fā)明專利]一種兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)時變時延混雜控制方法

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• 申請日: 2017-02-20
• 公開（公告）號: CN106773737A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 杜鋒
• 申請（專利權(quán)）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(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自動控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機技術(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)

在分布式控制系統(tǒng)中，傳感器與控制器、控制器與執(zhí)行器之間，通過實時通信網(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與傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比，可實現(xiàn)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(tǒng)的靈活性和可靠性等諸多優(yōu)點。遠程遙操作、遙醫(yī)學、遠程教學、無線網(wǎng)絡(luò)機器人、某些兵器系統(tǒng)以及新興的以現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)均屬于NCS的范疇，此外，NCS在航空航天領(lǐng)域以及復(fù)雜、危險的工業(yè)控制領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用，對其研究正成為國際學術(shù)界的一個熱點課題。

在NCS中，由于網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)丟包以及網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象的存在，使得NCS面臨諸多新的挑戰(zhàn)。當NCS的傳感器、控制器和執(zhí)行器之間通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時，必然會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時延，從而會降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。由于網(wǎng)絡(luò)中的信息源很多，傳輸數(shù)據(jù)流經(jīng)眾多計算機和通訊設(shè)備且路徑非唯一；或由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及傳輸機制的影響，網(wǎng)絡(luò)擁塞或連接中斷等原因，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的時序錯亂和數(shù)據(jù)包的丟失。雖然時延系統(tǒng)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(zhì)的時延(常數(shù)、有界、隨機、時變等)，使得現(xiàn)有的方法一般不能直接應(yīng)用。傳統(tǒng)的控制理論在對系統(tǒng)進行分析和設(shè)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(diào)節(jié)。而在NCS中，由于控制回路存在網(wǎng)絡(luò)，上述假設(shè)通常是不成立的，因此傳統(tǒng)控制理論都要重新評估才能應(yīng)用到NCS中。

目前，國內(nèi)外關(guān)于NCS的研究，主要是針對單輸入單輸出(Single-input and single-output，SISO)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng)絡(luò)時延已知、未知或隨機，網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)包丟失等情況下，對其進行數(shù)學建模或穩(wěn)定性分析與控制。但針對實際工業(yè)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(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(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(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(jié)構(gòu)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(fā)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(jīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)比SISO-NCS和MIMO-NCS要復(fù)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(shù)較多，各控制回路間的聯(lián)系較多，參數(shù)變動對整體控制效果的影響會變得很復(fù)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(huán)控制回路，至少包含有兩個或兩個以上的傳感器和執(zhí)行器。每一個元件的失效都可能影響整個控制系統(tǒng)的性能，嚴重時會使控制系統(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進行設(shè)計與控制的方法，已無法滿足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)計與分析中，給MIMO-NDCS的控制與設(shè)計帶來了一定的困難。

對于MIMO-NDCS，網(wǎng)絡(luò)時延補償與控制的難點主要在于：

(1)由于網(wǎng)絡(luò)時延與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負載、網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)包大小等因素有關(guān)，對大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期的時變網(wǎng)絡(luò)時延，要建立MIMO-NDCS中各個控制回路的時變網(wǎng)絡(luò)時延準確的預(yù)測、估計或辨識的數(shù)學模型，目前幾乎是不可能的。