[发明专利]一种二输入二输出网络控制系统随机时延的SPC方法

说明书

技术领域

一种二输入二输出网络控制系统随机时延的SPC(Smith Predictor Control，SPC)方法，涉及自动控制，网络通信和计算机技术的交叉领域，尤其涉及带宽资源有限的多输入多输出网络控制系统技术领域。

背景技术

随着网络通信、计算机和控制技术的发展，以及生产过程控制日益大型化、广域化、复杂化及网络化的发展，越来越多的网络技术应用于控制系统。网络控制系统(Networked control systems，NCS)是指基于网络的实时闭环反馈控制系统，NCS的典型结构如图1所示。

NCS可实现复杂大系统及远程控制，节点资源共享，增加系统的柔性和可靠性，近年来已被广泛应用于复杂工业过程控制、电力系统、石油化工、轨道交通、航空航天、环境监测等多个领域。

在NCS中，当传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时，网络可能存在多包传输、多路径传输、数据碰撞，网络拥塞甚至连接中断等现象，使得NCS面临诸多新的挑战。尤其是网络时延的存在，可降低NCS的控制质量，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，国内外对于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，分别在网络时延恒定、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。但是，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)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，尤其是针对基于其系统结构的时延补偿方法的研究成果则相对更少。

MIMO-NCS的典型结构如图2所示。

与SISO-NCS相比，MIMO-NCS具有以下特点：

(1)输入信号与输出信号之间彼此影响并可能产生耦合作用

在MIMO-NCS中，一个输入信号的变化可以使得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地跟踪各自的输入信号是有困难的。

(2)内部结构要比SISO-NCS复杂得多

(3)被控对象存在不确定性的因素较多

在MIMO-NCS中，涉及的参数较多，各控制回路间的联系较多，被控对象参数变化对整体控制性能的影响会变得较为复杂。

(4)控制部件失效的可能性较大

在MIMO-NCS中，至少包含有两个或两个以上的闭环控制回路，并且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质量，严重时会使系统不稳定，甚至造成重大事故。

由于MIMO-NCS的上述特殊性，使得基于SISO-NCS进行设计与控制的方法，已无法满足MIMO-NCS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-NCS的设计与控制中，给MIMO-NCS的设计与分析带来了困难。

对于MIMO-NCS，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网络时延，要建立MIMO-NCS中各个控制回路的网络时延准确的预测、估计或辨识的数学模型，目前是有困难的。

(2)发生在MIMO-NCS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的准确值。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了困难。

(3)要满足MIMO-NCS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。

(4)由于MIMO-NCS中，输入与输出信号之间彼此影响，并可能产生耦合作用，系统内部的结构比SISO-NCS复杂，存在的不确定性因素较多，各控制回路的控制性能质量优劣与其稳定性问题将对整个系统的性能质量与稳定性产生影响和制约，其实施时延补偿与控制要比SISO-NCS困难得多。

发明内容

本发明涉及MIMO-NCS中的一种二输入二输出网络控制系统(TITO-NCS)随机时延的补偿与控制，其TITO-NCS的典型结构如图3所示。