CN106773730A - 一种两输入两输出网络解耦控制系统时变时延补偿方法 - Google Patents
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Abstract
两输入两输出网络解耦控制系统(TITO‑NDCS)时变时延补偿方法，属于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。针对两输入两输出信号之间彼此影响并耦合，需要通过解耦处理的TITO‑NDCS，由于网络数据在节点之间传输过程中所产生的网络时延，不仅影响各自闭环控制回路的稳定性，而且还将影响整个系统的稳定性，甚至导致TITO‑NDCS失去稳定的问题，提出以TITO‑NDCS中所有真实节点之间网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型的方法，可免除对节点之间网络时延的测量、估计或辨识，降低时钟信号同步的要求，降低时变时延对TITO‑NDCS稳定性的影响，改善系统的控制性能质量。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术，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，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 andsingle-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：
(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时变网络时延，要建立MIMO-NDCS中各个控制回路的时变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。
(4)由于MIMO-NCS中，输入与输出之间彼此影响，并存在耦合作用，其MIMO-NDCS的内部结构要比MIMO-NCS和SISO-NCS复杂，可能存在的不确定性因素较多，对MIMO-NDCS实施时延补偿与控制要比MIMO-NCS和SISO-NCS困难得多。
发明内容
本发明涉及MIMO-NDCS中的一种两输入两输出网络解耦控制系统(TITO-NDCS)时变时延的补偿与控制，其TITO-NDCS的典型结构如图3所示。
针对图3中的闭环控制回路1：
1)从输入信号x1(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：
式中：C1(s)是控制器；G11(s)是被控对象；τ1表示将控制器C节点的输出信号u1(s)，经前向网络通路传输到解耦执行器DA1节点所经历的时变网络时延；τ2表示将传感器S1节点的输出信号y1(s)，经反馈网络通路传输到控制器C节点所经历的时变网络时延。
2)来自闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦控制信号up2(s)，通过交叉解耦通路传递函数P12(s)和被控对象交叉通路传递函数G12(s)作用于闭环控制回路1，从输入信号up2(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：
上述闭环传递函数等式(1)至(2)的分母中，包含了时变网络时延τ1和τ2的指数项和时延的存在将恶化控制系统的性能质量，甚至导致系统失去稳定性。
针对图3中的闭环控制回路2：
1)从输入信号x2(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：
式中：C2(s)是控制器，G22(s)是被控对象；τ3表示将控制器C节点的控制输出信号u2(s)，经前向网络通路传输到解耦执行器DA2节点所经历的时变网络时延；τ4表示将传感器S2节点的输出信号y2(s)，经反馈网络通路传输到控制器C节点所经历的时变网络时延。
2)来自闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦控制信号up1(s)，通过交叉解耦通路传递函数P21(s)和被控对象交叉通路传递函数G21(s)作用于闭环控制回路2，从输入信号up1(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：
上述闭环传递函数等式(3)至(4)的分母中，包含了时变网络时延τ3和τ4的指数项和时延的存在将恶化控制系统的性能质量，甚至导致系统失去稳定性。
发明目的：
针对图3的TITO-NDCS，其闭环控制回路1的闭环传递函数等式(1)至(2)的分母中，均包含了时变网络时延τ1和τ2的指数项和以及闭环控制回路2的闭环传递函数等式(3)至(4)的分母中，均包含了时变网络时延τ3和τ4的指数项和时延的存在会降低各自闭环控制回路的控制性能质量并影响各自闭环控制回路的稳定性，同时也将降低整个系统的控制性能质量并影响整个系统的稳定性，严重时将导致整个系统失去稳定性。
为此，本发明提出一种免除对各闭环控制回路中，节点之间时变网络时延τ1和τ2，τ3和τ4的测量、估计或辨识的时延补偿方法；当预估模型等于其真实模型时，可实现各自闭环控制回路的特征方程中不包含网络时延的指数项，进而可降低网络时延对系统稳定性的影响，改善系统的动态性能质量，实现对TITO-NDCS时变网络时延的分段、实时、在线和动态的预估补偿与控制。
采用方法：
针对图3中的闭环控制回路1：
第一步：为了实现满足预估补偿条件时，闭环控制回路1的闭环特征方程中不再包含网络时延的指数项，以实现对网络时延τ1和τ2的补偿与控制；在控制器C节点中围绕控制器C1(s)，采用以控制信号u1(s)和up2m(s)作为输入信号，被控对象预估模型G11m(s)和G12m(s)及交叉预估解耦模型P12m(s)作为被控及解耦过程，控制与过程数据通过网络传输时延预估模型以及围绕控制器C1(s)构造一个负反馈预估解耦控制回路和一个正反馈预估解耦控制回路，如图4所示；
第二步：针对实际TITO-NDCS中，难以获取网络时延准确值的问题，在图4中要实现对网络时延的补偿与控制，除了要满足被控对象预估模型等于其真实模型的条件外，还必须满足时变网络时延预估模型以及要等于其真实模型以及的条件，以及满足预估解耦模型P12m(s)等于其真实解耦模型P12(s)的条件(由于解耦通道传递函数P12(s)是人为设计与选择，自然满足P12m(s)＝P12(s))；为此，从传感器S1节点到控制器C节点之间，以及从控制器C节点到解耦执行器DA1节点之间，采用真实的网络数据传输过程以及代替其间网络时延的预估补偿模型以及因而无论被控对象的预估模型是否等于其真实模型，都可以从系统结构上实现不包含其间网络时延的预估补偿模型，从而免除对闭环控制回路1中，节点之间时变网络时延τ1和τ2的测量、估计或辨识；当预估模型等于其真实模型时，可实现对时变网络时延τ1和τ2的补偿与控制；实施本发明方法的网络时延补偿与控制结构如图5所示。
针对图3中的闭环控制回路2：
第一步：为了实现满足预估补偿条件时，闭环控制回路2的闭环特征方程中不再包含网络时延的指数项，以实现对网络时延τ3和τ4的补偿与控制，在控制器C节点中围绕控制器C2(s)，采用以控制信号u2(s)和up1m(s)作为输入信号，被控对象预估模型G22m(s)和G21m(s)及交叉预估解耦模型P21m(s)作为被控及解耦过程，控制与过程数据通过网络传输时延预估模型以及围绕控制器C2(s)构造一个负反馈预估解耦控制回路和一个正反馈预估解耦控制回路，如图4所示；
第二步：针对实际TITO-NDCS中，难以获取网络时延准确值的问题，在图4中要实现对网络时延的补偿与控制，除了要满足被控对象预估模型等于其真实模型的条件外，还必须满足时变网络时延预估模型以及要等于其真实模型以及的条件，以及满足预估解耦模型P21m(s)等于其真实解耦模型P21(s)的条件(由于解耦通道传递函数P21(s)是人为设计与选择，自然满足P21m(s)＝P21(s))；为此，从传感器S2节点到控制器C节点之间，以及从控制器C节点到解耦执行器DA2节点之间，采用真实的网络数据传输过程以及代替其间网络时延的预估补偿模型以及因而无论被控对象的预估模型是否等于其真实模型，都可以从系统结构上实现不包含其间网络时延的预估补偿模型，从而免除对闭环控制回路2中，节点之间时变网络时延τ3和τ4的测量、估计或辨识；当预估模型等于其真实模型时，可实现对其时变网络时延τ3和τ4的补偿与控制；实施本发明方法的网络时延补偿与控制结构如图5所示。
对于图5中的闭环控制回路1：
1)从输入信号x1(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：
式中：G11m(s)是被控对象G11(s)的预估模型。
2)来自控制预解耦器CPD节点中，闭环控制回路2的C2(s)控制单元输出信号u2(s)与交叉解耦通道传递函数预估模型P21m(s)的输出信号yp21m(s)相减后得到信号up2m(s)，即up2m(s)＝u2(s)-yp21m(s)；将up2m(s)作用于闭环控制回路1，从输入信号up2m(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：
3)来自闭环控制回路2解耦执行器DA2节点中的解耦控制信号up2(s)，通过交叉解耦通路传递函数P12(s)，以及通过被控对象交叉通道传递函数G12(s)和其预估模型G12m(s)作用于闭环控制回路1，从输入信号up2(s)到输出信号y1(s)之间的闭环传递函数为：
采用本发明方法，当G11m(s)＝G11(s)时，闭环控制回路1的闭环特征方程将由变成1+C1(s)G11(s)＝0，其闭环特征方程中不再包含影响系统稳定性的网络时延τ1和τ2的指数项和从而可降低网络时延对系统稳定性的影响，改善系统的动态控制性能质量，实现对时变网络时延的动态补偿与控制。
对于图5中的闭环控制回路2：
1)从输入信号x2(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：
式中：G22m(s)是被控对象G22(s)的预估模型。
2)来自控制预解耦器CPD节点中，闭环控制回路1的C1(s)控制单元输出信号u1(s)与交叉解耦通道传递函数预估模型P12m(s)的输出信号yp12m(s)相减后得到信号up1m(s)，即up1m(s)＝u1(s)-yp12m(s)；将up1m(s)作用于闭环控制回路2，从输入信号up1m(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：
3)来自闭环控制回路1的解耦执行器DA1节点中的解耦控制信号up1(s)，通过交叉解耦通路传递函数P21(s)，以及通过被控对象交叉通道传递函数G21(s)和其预估模型G21m(s)作用于闭环控制回路2，从输入信号up1(s)到输出信号y2(s)之间的闭环传递函数为：
采用本发明方法，当G22m(s)＝G22(s)时，闭环控制回路2的闭环特征方程将由变成1+C2(s)G22(s)＝0，其闭环特征方程中不再包含影响系统稳定性的网络时延τ3和τ4的指数项和从而可降低网络时延对系统稳定性的影响，改善系统的动态控制性能质量，实现对时变网络时延的动态补偿与控制。
本发明的适用范围：
适用于被控对象预估模型等于其真实模型的一种两输入两输出网络解耦控制系统(TITO-NDCS)时变网络时延的补偿与控制；其研究思路与方法，同样适用于被控对象预估模型等于其真实模型的两个以上输入和输出所构成的多输入多输出网络解耦控制系统(MIMO-NDCS)时变网络时延的补偿与控制。
本发明的特征在于该方法包括以下步骤：
对于闭环控制回路1：
(1).当传感器S1节点被周期为h1的采样信号触发时，将采用方式A进行工作；
(2).当控制预解耦器CPD节点被反馈信号y1b(s)触发时，将采用方式B进行工作；
(3).当解耦执行器DA1节点被控制信号u1(s)触发时，将采用方式C进行工作；
对于闭环控制回路2：
(4).当传感器S2节点被周期为h2的采样信号触发时，将采用方式D进行工作；
(5).当控制预解耦器CPD节点被反馈信号y2b(s)触发时，将采用方式E进行工作；
(6).当解耦执行器DA2节点被控制信号u2(s)触发时，将采用方式F进行工作；
方式A的步骤包括：
A1：传感器S1节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期h1的采样信号；
A2：传感器S1节点被触发后，对被控对象G11(s)的输出信号y11(s)和被控对象交叉通道传递函数G12(s)的输出信号y12(s)，以及解耦执行器DA1节点的输出信号y11mb(s)和y12mb(s)进行采样，并计算出闭环控制回路1的系统输出信号y1(s)和反馈信号y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)-y11mb(s)-y12mb(s)；
A3：传感器S1节点将反馈信号y1b(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制预解耦器CPD节点传输，反馈信号y1b(s)将经历网络传输时延τ2后，才能到达控制预解耦器CPD节点；
方式B的步骤包括：
B1：控制预解耦器CPD节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y1b(s)所触发；
B2：在控制预解耦器CPD节点中，将闭环控制回路1的系统给定信号x1(s)，减去反馈信号y1b(s)和被控对象预估模型G11m(s)的输出值y11ma(s)以及被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)的输出值y12ma(s)，得到系统偏差信号e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)-y12ma(s)；
B3：对e1(s)实施控制算法C1(s)，得到控制信号u1(s)；
B4：将信号u1(s)与预解耦交叉通道传递函数P12m(s)的输出信号yp12m(s)相减，得到预解耦信号up1m(s)，即up1m(s)＝u1(s)-yp12m(s)；将up1m(s)作用于被控对象预估模型G11m(s)，得到其输出值y11ma(s)；
B5：将来自控制预解耦器CPD节点闭环控制回路2中的预解耦信号up2m(s)，作用于闭环控制回路1的被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)得到其输出信号y12ma(s)；
B6：将控制信号u1(s)通过闭环控制回路1的前向网络通路单元向解耦执行器DA1节点传输，u1(s)将经历网络传输时延τ1后，才能到达解耦执行器DA1节点；
方式C的步骤包括：
C1：解耦执行器DA1节点工作于事件驱动方式，被控制信号u1(s)所触发；
C2：将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于闭环控制回路1的解耦交叉通道传递函数P12(s)得到其输出值yp12(s)；将控制信号u1(s)与yp12(s)相减，得到控制回路1的解耦输出信号up1(s)，即up1(s)＝u1(s)-yp12(s)；
C3：将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于解耦执行器DA1节点中的预估模型G12m(s)得到其输出值y12mb(s)；
C4：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象传递函数预估模型G11m(s)得到其输出值y11mb(s)；
C5：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象G11(s)得到其输出值y11(s)；将信号up1(s)作用于被控对象交叉通道传递函数G21(s)得到其输出值y21(s)；从而实现对被控对象G11(s)和G21(s)的解耦与控制，并实现对时变网络时延τ1和τ2的补偿与控制；
方式D的步骤包括：
D1：传感器S2节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期h2的采样信号；
D2：传感器S2节点被触发后，对被控对象G22(s)输出信号y22(s)和被控对象交叉通道传递函数G21(s)输出信号y21(s)，以及解耦执行器DA2节点的输出信号y22mb(s)和y21mb(s)进行采样，并计算出闭环控制回路2系统输出信号y2(s)和反馈信号y2b(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)和y2b(s)＝y2(s)-y22mb(s)-y21mb(s)；
D3：传感器S2节点将反馈信号y2b(s)，通过闭环控制回路2的反馈网络通路向控制预解耦器CPD节点传输，反馈信号y2b(s)将经历网络传输时延τ4后，才能到达控制预解耦器CPD节点；
方式E的步骤包括：
E1：控制预解耦器CPD节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y2b(s)所触发；
E2：在控制预解耦器CPD节点中，将闭环控制回路2的系统给定信号x2(s)，减去反馈信号y2b(s)和被控对象预估模型G22m(s)的输出值y22ma(s)以及被控对象交叉通道传递函数预估模型G21m(s)的输出值y21ma(s)，得到系统偏差信号e2(s)，即e2(s)＝x2(s)-y2b(s)-y22ma(s)-y21ma(s)；
E3：对e2(s)实施控制算法C2(s)，得到控制信号u2(s)；
E4：将信号u2(s)与预解耦交叉通道传递函数P21m(s)的输出信号yp21m(s)相减，得到预解耦信号up2m(s)，即up2m(s)＝u2(s)-yp21m(s)；将up2m(s)作用于被控对象预估模型G22m(s)，得到其输出值y22ma(s)；
E5：将来自控制预解耦器CPD节点闭环控制回路1中的预解耦信号up1m(s)，作用于闭环控制回路2 的被控对象交叉通道传递函数预估模型G21m(s)得到其输出信号y21ma(s)；
E6：将控制信号u2(s)通过闭环控制回路2的前向网络通路单元向解耦执行器DA2节点传输，u2(s)将经历网络传输时延τ3后，才能到达解耦执行器DA2节点；
方式F的步骤包括：
F1：解耦执行器DA2节点工作于事件驱动方式，被控制信号u2(s)所触发；
F2：将来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦输出信号up1(s)，作用于闭环控制回路2的解耦交叉通道传递函数P21(s)得到其输出值yp21(s)；将控制信号u2(s)与yp21(s)相减，得到控制回路2的解耦输出信号up2(s)，即up2(s)＝u2(s)-yp21(s)；
F3：将来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦输出信号up1(s)，作用于解耦执行器DA2节点中的预估模型G21m(s)得到其输出值y21mb(s)；
F4：将解耦执行器DA2节点的输出信号up2(s)，作用于被控对象传递函数预估模型G22m(s)得到其输出值y22mb(s)；
F5：将解耦执行器DA2节点的输出信号up2(s)，作用于被控对象G22(s)得到其输出值y22(s)；将信号up2(s)作用于被控对象交叉通道传递函数G12(s)得到其输出值y12(s)；从而实现对被控对象G22(s)和G12(s)的解耦与控制，并实现对时变网络时延τ3和τ4的补偿与控制。
本发明具有如下特点：
1、由于从结构上免除对TITO-NDCS中，网络时延的测量、观测、估计或辨识，同时还可免除节点时钟信号同步的要求，可避免时延估计模型不准确造成的估计误差，避免对时延辨识所需耗费节点存贮资源的浪费，同时还可避免由于时延造成的“空采样”或“多采样”带来的补偿误差。
2、由于从TITO-NDCS结构上，实现与具体的网络通信协议的选择无关，因而既适用于采用有线网络协议的TITO-NDCS，亦适用于采用无线网络协议的TITO-NDCS；既适用于确定性网络协议，亦适用于非确定性的网络协议；既适用于异构网络构成的TITO-NDCS，同时亦适用于异质网络构成的TITO-NDCS。
3、由于从TITO-NDCS结构上，实现与具体控制器控制策略的选择无关，因而既可用于采用常规控制的TITO-NDCS，亦可用于采用智能控制或采用复杂控制策略的TITO-NDCS。
4、由于本发明采用的是“软件”改变TITO-NDCS结构的补偿与控制方法，因而在其实现过程中无需再增加任何硬件设备，利用现有TITO-NDCS智能节点自带的软件资源，足以实现其补偿功能，可节省硬件投资便于推广和应用。
附图说明
图1：NCS的典型结构
图1中，系统由传感器S节点，控制器C节点，执行器A节点，被控对象，前向网络通路传输单元以及反馈网络通路传输单元所组成。
图1中：x(s)表示系统输入信号；y(s)表示系统输出信号；C(s)表示控制器；u(s)表示控制信号；τca表示将控制信号u(s)从控制器C节点向执行器A节点传输所经历的前向网络通路传输时延；τsc表示将传感器S节点的检测信号y(s)向控制器C节点传输所经历的反馈网络通路传输时延；G(s)表示被控对象传递函数。
图2：MIMO-NDCS的典型结构
图2中，系统由r个传感器S节点，控制器C节点，m个解耦执行器DA节点，被控对象G，m个前向网络通路传输时延单元，以及r个反馈网络通路传输时延单元所组成。
图2中：yj(s)表示系统的第j个输出信号；ui(s)表示第i个控制信号；表示将控制信号ui(s)从控制器C节点向第i个解耦执行器DA节点传输所经历的前向网络通路传输时延；表示将第j个传感器S节点的检测信号yj(s)向控制器C节点传输所经历的反馈网络通路传输时延；G表示被控对象传递函数。
图3：TITO-NDCS的典型结构
图3中，系统由闭环控制回路1和2所构成，系统包含传感器S1和S2节点，控制器C节点，解耦执行器DA1和DA2节点，被控对象传递函数G11(s)和G22(s)以及被控对象交叉通道传递函数G21(s)和G12(s)，交叉解耦通道传递函数P21(s)和P12(s)，前向网络通路传输单元和以及反馈网络通路传输单元和所组成。
图3中：x1(s)和x2(s)表示系统输入信号；y1(s)和y2(s)表示系统输出信号；C1(s)和C2(s)表示控制回路1和2的控制器；u1(s)和u2(s)表示控制信号；up1(s)和up2(s)表示控制解耦信号；τ1和τ3表示将控制信号u1(s)和u2(s)从控制器C节点向解耦执行器DA1和DA2节点传输所经历的前向网络通路传输时延；τ2和τ4表示将传感器S1和S2节点的检测信号y1(s)和y2(s)向控制器C节点传输所经历反馈网络通路传输时延。
图4：一种包含预估模型的TITO-NDCS时变时延补偿与控制结构
图4中，以及是网络传输时延以及的预估时延模型；以及是网络传输时延以及的预估时延模型；G11m(s)和G22m(s)是被控对象传递函数G11(s)和G22(s)的预估模型；G12m(s)和G21m(s)是被控对象交叉通道传递函数G12(s)和G21(s)的预估模型；P12m(s)和P21m(s)是交叉解耦通道传递函数P12(s)和P21(s)的预估模型。
图5：一种两输入两输出网络解耦控制系统时变时延补偿方法
图5可实现对闭环控制回路1和控制回路2中时变网络时延的补偿与控制
具体实施方式
下面将通过参照附图5来详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述特征和优点.
具体实施步骤如下所述：
对于闭环控制回路1：
第一步：传感器S1节点工作于时间驱动方式，被采样周期为h1的信号所触发；当传感器S1节点被触发后，对被控对象G11(s)的输出信号y11(s)和被控对象交叉通道传递函数G12(s)的输出信号y12(s)，以及解耦执行器DA1节点的输出信号y11mb(s)和y12mb(s)进行采样，并计算出闭环控制回路1的系统输出信号y1(s)和反馈信号y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)-y11mb(s)-y12mb(s)；
第二步：传感器S1节点将反馈信号y1b(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制预解耦器CPD节点传输，反馈信号y1b(s)将经历网络传输时延τ2后，才能到达控制预解耦器CPD节点；
第三步：控制预解耦器CPD节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y1b(s)触发后，将闭环控制回路1系统给定信号x1(s)，减去反馈信号y1b(s)和被控对象预估模型G11m(s)输出值y11ma(s)以及被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)输出值y12ma(s)，得到系统偏差信号e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)-y12ma(s)；对e1(s)实施控制算法C1(s)，得到控制信号u1(s)；
第四步：将信号u1(s)与预解耦交叉通道传递函数P12m(s)输出信号yp12m(s)相减，得到预解耦信号up1m(s)，即up1m(s)＝u1(s)-yp12m(s)；将up1m(s)作用于被控对象预估模型G11m(s)，得到其输出值y11ma(s)；
第五步：将来自控制预解耦器CPD节点闭环控制回路2中的预解耦信号up2m(s)，作用于闭环控制回路1的被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)，得到其输出信号y12ma(s)；
第六步：将控制信号u1(s)通过闭环控制回路1的前向网络通路单元向解耦执行器DA1节点传输，u1(s)将经历网络传输时延τ1后，才能到达解耦执行器DA1节点；
第七步：解耦执行器DA1节点工作于事件驱动方式，被控制信号u1(s)所触发后，将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于闭环控制回路1的解耦交叉通道传递函数P12(s)得到其输出值yp12(s)；将控制信号u1(s)与yp12(s)相减，得到控制回路1的解耦输出信号up1(s)，即up1(s)＝u1(s)-yp12(s)；
第八步：将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于解耦执行器DA1节点中的预估模型G12m(s)得到其输出值y12mb(s)；
第九步：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象传递函数预估模型G11m(s)得到其输出值y11mb(s)；
第十步：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象G11(s)得到其输出值y11(s)；将信号up1(s)作用于被控对象交叉通道传递函数G21(s)得到其输出值y21(s)；从而实现对被控对象G11(s)和G21(s)的解耦与控制，并实现对时变网络时延τ1和τ2的补偿与控制；
第十一步：返回第一步；
对于闭环控制回路2：
第一步：传感器S2节点工作于时间驱动方式，被采样周期为h2的信号所触发；当传感器S2节点被触发后，对被控对象G22(s)的输出信号y22(s)和被控对象交叉通道传递函数G21(s)的输出信号y21(s)，以及解耦执行器DA2节点的输出信号y22mb(s)和y21mb(s)进行采样，并计算出闭环控制回路2的系统输出信号y2(s)和反馈信号y2b(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)和y2b(s)＝y2(s)-y22mb(s)-y21mb(s)；
第二步：传感器S2节点将反馈信号y2b(s)，通过闭环控制回路2的反馈网络通路向控制预解耦器CPD节点传输，反馈信号y2b(s)将经历网络传输时延τ4后，才能到达控制预解耦器CPD节点；
第三步：控制预解耦器CPD节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y2b(s)触发后，将闭环控制回路2的系统给定信号x2(s)，减去反馈信号y2b(s)和被控对象预估模型G22m(s)输出值y22ma(s)以及被控对象交叉通道传递函数预估模型G21m(s)输出值y21ma(s)，得到偏差信号e2(s)，即e2(s)＝x2(s)-y2b(s)-y22ma(s)-y21ma(s)；对e2(s)实施控制算法C2(s)，得到控制信号u2(s)；
第四步：将信号u2(s)与预解耦交叉通道传递函数P21m(s)的输出信号yp21m(s)相减，得到预解耦信号up2m(s)，即up2m(s)＝u2(s)-yp21m(s)；将up2m(s)作用于被控对象预估模型G22m(s)，得到其输出值y22ma(s)；
第五步：将来自控制预解耦器CPD节点闭环控制回路1中的预解耦信号up1m(s)，作用于闭环控制回路2的被控对象交叉通道传递函数预估模型G21m(s)得到其输出信号y21ma(s)；
第六步：将控制信号u2(s)通过闭环控制回路2的前向网络通路单元向解耦执行器DA2节点传输，u2(s)将经历网络传输时延τ3后，才能到达解耦执行器DA2节点；
第七步：解耦执行器DA2节点工作于事件驱动方式，被控制信号u2(s)所触发后，将来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦输出信号up1(s)，作用于闭环控制回路2的解耦交叉通道传递函数P21(s)得到其输出值yp21(s)；将控制信号u2(s)与yp21(s)相减，得到控制回路2的解耦输出信号up2(s)，即up2(s)＝u2(s)-yp21(s)；
第八步：将来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦输出信号up1(s)，作用于解耦执行器DA2节点中的预估模型G21m(s)得到其输出值y21mb(s)；
第九步：将解耦执行器DA2节点的输出信号up2(s)，作用于被控对象传递函数预估模型G22m(s)得到其输出值y22mb(s)；
第十步：将解耦执行器DA2节点的输出信号up2(s)，作用于被控对象G22(s)得到其输出值y22(s)；将信号up2(s)作用于被控对象交叉通道传递函数G12(s)得到其输出值y12(s)；从而实现对被控对象G22(s)和G12(s)的解耦与控制，并实现对时变网络时延τ3和τ4的补偿与控制；
第十一步：返回第一步；
以上所述仅为本发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种两输入两输出网络解耦控制系统时变时延补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
对于闭环控制回路1：
(1).当传感器S1节点被周期为h1的采样信号触发时，将采用方式A进行工作；
(2).当控制预解耦器CPD节点被反馈信号y1b(s)触发时，将采用方式B进行工作；
(3).当解耦执行器DA1节点被控制信号u1(s)触发时，将采用方式C进行工作；
对于闭环控制回路2：
(4).当传感器S2节点被周期为h2的采样信号触发时，将采用方式D进行工作；
(5).当控制预解耦器CPD节点被反馈信号y2b(s)触发时，将采用方式E进行工作；
(6).当解耦执行器DA2节点被控制信号u2(s)触发时，将采用方式F进行工作；
方式A的步骤包括：
A1：传感器S1节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期h1的采样信号；
A2：传感器S1节点被触发后，对被控对象G11(s)的输出信号y11(s)和被控对象交叉通道传递函数G12(s)的输出信号y12(s)，以及解耦执行器DA1节点的输出信号y11mb(s)和y12mb(s)进行采样，并计算出闭环控制回路1的系统输出信号y1(s)和反馈信号y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)-y11mb(s)-y12mb(s)；
A3：传感器S1节点将反馈信号y1b(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制预解耦器CPD节点传输，反馈信号y1b(s)将经历网络传输时延τ2后，才能到达控制预解耦器CPD节点；
方式B的步骤包括：
B1：控制预解耦器CPD节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y1b(s)所触发；
B2：在控制预解耦器CPD节点中，将闭环控制回路1的系统给定信号x1(s)，减去反馈信号y1b(s)和被控对象预估模型G11m(s)的输出值y11ma(s)以及被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)的输出值y12ma(s)，得到系统偏差信号e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)-y12ma(s)；
B3：对e1(s)实施控制算法C1(s)，得到控制信号u1(s)；
B4：将信号u1(s)与预解耦交叉通道传递函数P12m(s)的输出信号yp12m(s)相减，得到预解耦信号up1m(s)，即up1m(s)＝u1(s)-yp12m(s)；将up1m(s)作用于被控对象预估模型G11m(s)，得到其输出值y11ma(s)；
B5：将来自控制预解耦器CPD节点闭环控制回路2中的预解耦信号up2m(s)，作用于闭环控制回路1的被控对象交叉通道传递函数预估模型G12m(s)得到其输出信号y12ma(s)；
B6：将控制信号u1(s)通过闭环控制回路1的前向网络通路单元向解耦执行器DA1节点传输，u1(s)将经历网络传输时延τ1后，才能到达解耦执行器DA1节点；
方式C的步骤包括：
C1：解耦执行器DA1节点工作于事件驱动方式，被控制信号u1(s)所触发；
C2：将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于闭环控制回路1的解耦交叉通道传递函数P12(s)得到其输出值yp12(s)；将控制信号u1(s)与yp12(s)相减，得到控制回路1的解耦输出信号up1(s)，即up1(s)＝u1(s)-yp12(s)；
C3：将来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的解耦输出信号up2(s)，作用于解耦执行器DA1节点中的预估模型G12m(s)得到其输出值y12mb(s)；
C4：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象传递函数预估模型G11m(s)得到其输出值y11mb(s)；
C5：将解耦执行器DA1节点的输出信号up1(s)，作用于被控对象G11(s)得到其输出值y11(s)；将信号up1(s)作用于被控对象交叉通道传递函数G21(s)得到其输出值y21(s)；从而实现对被控对象G11(s)和G21(s)的解耦与控制，并实现对时变网络时延τ1和τ2的补偿与控制；
方式D的步骤包括：
D1：传感器S2节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期h2的采样信号；
D2：传感器S2节点被触发后，对被控对象G22(s)输出信号y22(s)和被控对象交叉通道传递函数G21(s)输出信号y21(s)，以及解耦执行器DA2节点的输出信号y22mb(s)和y21mb(s)进行采样，并计算出闭环控制回路2系统输出信号y2(s)和反馈信号y2b(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)和y2b(s)＝y2(s)-y22mb(s)-y21mb(s)；
D3：传感器S2节点将反馈信号y2b(s)，通过闭环控制回路2的反馈网络通路向控制预解耦器CPD节点传输，反馈信号y2b(s)将经历网络传输时延τ4后，才能到达控制预解耦器CPD节点；
方式E的步骤包括：
E1：控制预解耦器CPD节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y2b(s)所触发；
E2：在控制预解耦器CPD节点中，将闭环控制回路2的系统给定信号x2(s)，减去反馈信号y2b(s)和被控对象预估模型G22m(s)的输出值y22ma(s)以及被控对象交叉通道传递函数预估模型G21m(s)的输出值y21ma(s)，得到系统偏差信号e2(s)，即e2(s)＝x2(s)-y2b(s)-y22ma(s)-y21ma(s)；
E3：对e2(s)实施控制算法C2(s)，得到控制信号u2(s)；
E4：将信号u2(s)与预解耦交叉通道传递函数P21m(s)的输出信号yp21m(s)相减，得到预解耦信号up2m(s)，即up2m(s)＝u2(s)-yp21m(s)；将up2m(s)作用于被控对象预估模型G22m(s)，得到其输出值y22ma(s)；
E5：将来自控制预解耦器CPD节点闭环控制回路1中的预解耦信号up1m(s)，作用于闭环控制回路2的被控对象交叉通道传递函数预估模型G21m(s)得到其输出信号y21ma(s)；
E6：将控制信号u2(s)通过闭环控制回路2的前向网络通路单元向解耦执行器DA2节点传输，u2(s)将经历网络传输时延τ3后，才能到达解耦执行器DA2节点；
方式F的步骤包括：
F1：解耦执行器DA2节点工作于事件驱动方式，被控制信号u2(s)所触发；
F2：将来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦输出信号up1(s)，作用于闭环控制回路2的解耦交叉通道传递函数P21(s)得到其输出值yp21(s)；将控制信号u2(s)与yp21(s)相减，得到控制回路2的解耦输出信号up2(s)，即up2(s)＝u2(s)-yp21(s)；
F3：将来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的解耦输出信号up1(s)，作用于解耦执行器DA2节点中的预估模型G21m(s)得到其输出值y21mb(s)；
F4：将解耦执行器DA2节点的输出信号up2(s)，作用于被控对象传递函数预估模型G22m(s)得到其输出值y22mb(s)；
F5：将解耦执行器DA2节点的输出信号up2(s)，作用于被控对象G22(s)得到其输出值y22(s)；将信号up2(s)作用于被控对象交叉通道传递函数G12(s)得到其输出值y12(s)；从而实现对被控对象G22(s)和G12(s)的解耦与控制，并实现对时变网络时延τ3和τ4的补偿与控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：从TITO-NCS结构上，实现系统不包含控制回路1和控制回路2中所有网络时延的预估补偿模型，从而免除对节点之间网络时延τ1和τ2，以及τ3和τ4的测量、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：从TITO-NCS结构上实现，对网络时延补偿方法的实施，与具体网络通信协议的选择无关。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：从TITO-NDCS结构上实现，对网络时延补偿方法的实施，与具体控制策略C1(s)和C2(s)的选择无关。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710091213.3A CN106773730A (zh) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | 一种两输入两输出网络解耦控制系统时变时延补偿方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201710091213.3A CN106773730A (zh) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | 一种两输入两输出网络解耦控制系统时变时延补偿方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106773730A true CN106773730A (zh) | 2017-05-31 |
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|---|---|
| CN (1) | CN106773730A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107045338A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-08-15 | 海南大学 | 一种二输入二输出ndcs随机时延的spc方法 |
| CN107065574A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-08-18 | 海南大学 | 一种双输入双输出ndcs不确定时延spc方法 |
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2017
- 2017-02-20 CN CN201710091213.3A patent/CN106773730A/zh active Pending
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