[发明专利]一种TITO‑NDCS随机网络时延的SPC和IMC方法

说明书

技术领域

一种TITO(Two-input and two-output，TITO)-NDCS(Networked decoupling control systems，NDCS)随机时延的SPC(Smith Predictor Control，SPC)和IMC(Internal Model Control，IMC)方法，涉及自动控制技术，网络通信技术和计算机技术交叉领域，尤其涉及带宽资源有限的多输入多输出网络解耦控制系统技术领域。

背景技术

在分布式控制系统中，传感器与控制器、控制器与执行器之间，通过实时通信网络构成的闭环反馈控制系统，称为网络控制系统(Networked control systems，NCS)，NCS的典型结构如图1所示。

NCS与传统的点对点结构的控制系统相比，具有成本低、易于信息共享、易于扩展与维护、灵活性大等优点，近年来已被广泛应用于过程自动化、制造业自动化、航空航天、无线通信、机器人、智能交通等多个领域。

在NCS中，由于网络时延、数据丢包以及网络拥塞等现象的存在，使得NCS面临诸多新挑战。尤其是随机网络时延的存在，可降低NCS控制质量，甚至使系统失去稳定性，严重时可能导致系统出现故障。

目前，国内外关于NCS的研究，主要是针对单输入单输出(Single-input and single-output，SISO)网络控制系统，分别在网络时延已知、未知或随机，网络时延小于一个采样周期或大于一个采样周期，单包传输或多包传输，有无数据包丢失等情况下，对其进行数学建模或稳定性分析与控制。但针对实际工业过程中，普遍存在的至少包含两个输入与两个输出(Two-input and two-output，TITO)的控制系统，所构成的多输入多输出(Multiple-input and multiple-output，MIMO)网络控制系统的研究则相对较少，尤其是针对输入与输出信号之间，存在耦合作用需要通过解耦处理的多输入多输出网络解耦控制系统(Networked decoupling control systems，NDCS)时延补偿的研究成果则相对更少。

MIMO-NDCS的典型结构如图2所示。

与SISO-NCS相比，MIMO-NDCS具有以下特点：

(1)输入与输出信号之间彼此影响并存在耦合作用

在存在耦合作用的MIMO-NCS中，一个输入信号的变化将会使多个输出信号发生变化，而各个输出信号也不只受到一个输入信号的影响。即使输入与输出信号之间经过精心选择配对，各控制回路之间也难免存在着相互影响，因而要使输出信号独立跟踪各自的输入信号是有困难的。MIMO-NDCS中的解耦器，用于解除或降低多输入多输出信号之间的耦合作用。

(2)内部结构比SISO-NCS要复杂得多

(3)被控对象可能存在不确定性因素

在MIMO-NDCS中，涉及的参数较多，各控制回路间的联系较多，参数变动对整体控制效果的影响会变得很复杂。

(4)控制部件失效

在MIMO-NDCS中，至少包含有两个或两个以上的闭环控制回路，至少包含有两个或两个以上的传感器和执行器。每一个元件的失效都可能影响整个控制系统的性能，严重时会使控制系统不稳定，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进行设计与控制的方法，已无法满足MIMO-NDCS的控制性能与控制质量的要求，使其不能或不能直接应用于MIMO-NDCS的设计与分析中，给MIMO-NDCS的控制与设计带来了一定的困难。

对于MIMO-NDCS，网络时延补偿与控制的难点主要在于：

(1)由于网络时延与网络拓扑结构、通信协议、网络负载、网络带宽和数据包大小等因素有关，对大于数个乃至数十个采样周期的随机网络时延，要建立MIMO-NDCS中各个控制回路的随机网络时延准确的预测、估计或辨识的数学模型，目前几乎是不可能的。

(2)发生在MIMO-NDCS中前一个节点向后一个节点传输网络数据过程中的网络时延，在前一个节点中无论采用何种预测或估计方法，都不可能事先提前知道其后产生的网络时延准确值。时延导致系统性能下降甚至造成系统不稳定，同时也给控制系统的分析与设计带来困难。

(3)要满足MIMO-NDCS中，不同分布地点的所有节点时钟信号完全同步是不现实的。