[发明专利]一种基于IMC的两输入输出网络解耦控制系统时延补偿方法

说明书

技术领域

一种基于IMC(Internal Model Control，IMC)的网络解耦控制系统时延补偿方法，涉及自动控制技术，网络通信技术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

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，可实现资源共享，远程操作与控制，具有极高的诊断能力，安装与维护简便，增加了系统的灵活性和可靠性等诸多优点。远程遥操作、遥医学、远程教学、无线网络机器人、某些兵器系统以及新兴的以现场总线及工业以太网为基础的控制系统均属于NCS的范畴，此外，NCS在航空航天领域，以及复杂、危险的工业控制领域也有广阔的应用，对其研究已成为国际学术界的一个热点课题。

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面临诸多新的挑战。当NCS的传感器、控制器和执行器之间通过网络交换数据时，必然会导致网络时延，从而会降低系统的性能甚至引起系统不稳定。由于网络中的信息源很多，传输数据流经众多计算机和通信设备且路径非唯一；或由于网络带宽的限制以及传输机制的影响，网络拥塞或连接中断等原因，导致网络数据包的时序错乱和数据包的丢失。虽然时延系统的分析和建模近年来已取得很大进展，但NCS中可能存在多种不同性质的时延(常数、有界、随机、时变等)，使得现有的方法一般不能直接应用。传统的控制理论在对系统进行分析和设计时，往往做了很多理想化的假定，如单率采样、同步控制、无时延传输和调节。然而在NCS中，由于控制回路存在网络，上述假设通常是不成立的，因此传统控制理论都要重新评估才能应用到NCS中。

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)时延补偿与控制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)输入信号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地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和MIMO-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：