[發(fā)明專利]一種基于IMC的TITO?NDCS時(shí)延補(bǔ)償方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710091547.0
• 申請(qǐng)日: 2017-02-20
• 公開（公告）號(hào): CN107065536A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 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
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

一種基于IMC(Internal Model Control，IMC)的TITO(Two-input and two-output，TITO)-NDCS(Networked decoupling control systems，NDCS)時(shí)延補(bǔ)償方法，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)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(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與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比，可實(shí)現(xiàn)資源共享，遠(yuǎn)程操作與控制，具有極高的診斷能力，安裝與維護(hù)簡(jiǎn)便，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)程遙操作、遙醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人、某些兵器系統(tǒng)以及新興的以現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)的工業(yè)控制領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用，對(duì)其研究已成為國(guó)際學(xué)術(shù)界的一個(gè)熱點(diǎn)課題。

在NCS中，由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(dāng)NCS的傳感器、控制器和執(zhí)行器之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，從而會(huì)降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)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(jì)算機(jī)和通信設(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(jī)制的影響，網(wǎng)絡(luò)擁塞或連接中斷等原因，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的時(shí)序錯(cuò)亂和數(shù)據(jù)包的丟失。雖然時(shí)延系統(tǒng)的分析和建模近年來(lái)已取得很大進(jìn)展，但NCS中可能存在多種不同性質(zhì)的時(shí)延(常數(shù)、有界、隨機(jī)、時(shí)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，往往做了很多理想化的假定，如單率采樣、同步控制、無(wú)時(shí)延傳輸和調(diào)節(jié)。然而在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(píng)估才能應(yīng)用到NCS中。

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)償與控制的研究成果則相對(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)立地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和MIMO-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：