[发明专利]一种二输入二输出NDCS未知时延补偿与IMC方法

说明书

技术领域

一种二输入二输出NDCS(Networked decoupling control systems，NDCS)未知时延与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

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。

将网络集成到控制系统中取代传统的计算机控制系统中的点对点连线具有很多优点，例如：布线成本降低，电缆重量减少，安装过程简化以及可靠性提高，便于实现系统诊断和维护，提高系统的柔性.但是，在反馈控制回路中加入通信网络的同时，也增加了控制系统分析和设计的复杂性。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。尤其是未知网络时延的存在，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未知网络时延，要建立MIMO-NDCS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。