[发明专利]一种IMC和SPC的NPCCS时变时延的补偿方法

说明书

一种IMC和SPC的NPCCS时变时延的补偿方法，属于带宽资源有限的单输入双输出网络化控制系统技术领域。针对NPCCS中，由于网络数据在节点之间传输时所产生的网络时延，降低了NPCCS的控制性能质量，甚至使系统失去稳定性的问题，提出以NPCCS中所有真实的网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型；对主和副闭环控制回路分别实施基于被控对象端的IMC和基于被控对象端的SPC；从系统结构上实现免除对节点之间网络时延的测量、估计或辨识，降低了时变网络时延对NPCCS稳定性的影响，改善了系统的控制性能质量，实现了对时变网络时延的补偿与控制。

技术领域

一种IMC(Internal model control，IMC)和SPC(Smith predictor control，SPC)的NPCCS(Networked parallel cascade control systems，NPCCS)时变时延的补偿方法，涉及过程控制，网络通信和计算机控制等技术的交叉领域，尤其涉及带宽资源有限的单输入双输出网络化控制系统技术领域。

背景技术

串级控制系统(Cascade control systems，CCS)，是一种在过程控制工程中被广泛使用的先进控制系统。CCS能够实现快速抑制进入副回路的扰动，改善闭环控制系统的动态性能和抗干扰能力。CCS通常包含两个闭环控制回路，即一个主闭环控制回路(Primaryclosed control loop，PCCL)和一个副闭环控制回路(Secondary closed control loop，SCCL)。

CCS有两种类型的控制系统结构：一种是串联式串级控制系统(Series cascadecontrol systems，SCCS)结构；另一种是并联式串级控制系统(Parallel cascade controlsystems，PCCS)结构。

SCCS结构：是指系统的操纵变量首先影响系统的副被控变量，然后副被控变量再直接影响系统的主被控变量，系统的主闭环控制回路和副闭环控制回路的被控对象之间是“串联式”的，串联式串级控制系统(SCCS)的典型结构如图1所示。

PCCS结构：是指系统的操纵变量同时直接影响系统的主和副两个被控变量，系统的主闭环控制回路和副闭环控制回路的被控对象之间是“并联式”的。系统的主控制器使主被控变量跟踪系统的给定信号，保持系统良好的动态跟踪性能，而系统的副控制器用于克服进入系统的外界干扰信号对系统的影响。从抗干扰的角度分析出发，在PCCS中副控制器间接充当了一个前馈控制器的作用，其抗干扰的原理类似于前馈控制，所不同的是前馈控制系统中对干扰的要求是必须可测量的，而PCCS既适用于可测量的干扰，同时也适用于不可测量的干扰。PCCS充分利用了副闭环控制回路的输出信号，提高了系统的控制品质。

PCCS的构筑思想和SCCS有很大的差别，对于提高系统的控制品质有很大的帮助，并联式串级控制系统(PCCS)的典型结构如图2所示。

随着网络通信、计算机技术的发展，以及生产过程控制日益大型化、广域化、复杂化以及网络化的发展，越来越多的网络技术应用于控制系统中。将实时通信网络，插入到并联式串级控制系统(PCCS)的主传感器与主控制器节点、副传感器与副控制器节点、主控制器与副控制器节点、以及副控制器与执行器节点之间，构成了一个实时闭环的网络化并联式串级控制系统(Networked parallel cascade control systems，NPCCS)，网络化并联式串级控制系统(NPCCS)的典型结构如图3所示。

NPCCS可实现远程控制，节点资源共享，增加系统的柔性和可靠性。但是当传感器、控制器和执行器节点之间，通过网络交换数据时，可能存在网络数据多包传输、多路径传输、数据碰撞，网络拥塞甚至连接中断等现象，使得NPCCS面临诸多新的挑战。尤其是网络时延的存在，可直接降低NPCCS的控制性能质量，甚至使系统失去稳定性，严重时可能导致系统出现故障，危及生产运行安全。

对于NPCCS，网络时延补偿与控制的难点主要在于：