CN107168043A - 一种二输入二输出ndcs未知时延补偿与imc方法 - Google Patents

Abstract

二输入二输出NDCS未知时延补偿与IMC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。针对一种二输入二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中所有节点之间的真实网络数据传输过程，代替其间网络时延补偿模型的方法，并对其回路实施IMC，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，降低网络未知时延对TITO‑NDCS稳定性的影响，改善系统的控制性能质量。

Description

一种二输入二输出NDCS未知时延补偿与IMC方法

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 andsingle-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。

(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，对其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-NCS中的一种二输入二输出NDCS(TITO-NDCS)未知时延的补偿与控制，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表示将控制信号u₁(s)从C₁(s)控制器所在的C1节点，经前向网络通路传输到解耦执行器DA1节点所经历的网络时延；τ₂表示将输出信号y₁(s)从传感器S1节点，经反馈网络通路传输到C₁(s)控制器所在的C1节点所经历的网络时延。

2)来自闭环控制回路2的解耦执行器DA2节点中的控制信号u₂(s)，作用于交叉解耦通道P₁₂(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元，其输出信号y_p12(s)再作用于闭环控制回路1，从输入信号u₂(s)到输出信号y₁(s)之间闭环传递函数为：

3)来自闭环控制回路2解耦执行器DA2节点输出的驱动信号u_2p(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G₁₂(s)作用于闭环控制回路1的输出信号y₁(s)，从输入信号u_2p(s)到输出信号y₁(s)之间闭环传递函数为：

上述闭环传递函数等式(1)和(3)的分母中，包含了网络未知时延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表示将控制信号u₂(s)从C₂(s)控制器所在的C2节点，经前向网络通路传输到解耦执行器DA2节点所经历的网络时延；τ₄表示将输出信号y₂(s)从传感器S2节点，经反馈网络通路传输到C₂(s)控制器所在的C2节点所经历的网络时延。

2)来自闭环控制回路1的解耦执行器DA1节点中的控制信号u₁(s)，作用于交叉解耦通道P₂₁(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元，其输出信号y_p21(s)再作用于闭环控制回路2，从输入信号u₁(s)到输出信号y₂(s)之间闭环传递函数为：

3)来自闭环控制回路1解耦执行器DA1节点输出的驱动信号u_1p(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G₂₁(s)作用于闭环控制回路2的输出信号y₂(s)，从输入信号u_1p(s)到输出信号y₂(s)之间闭环传递函数为：

上述闭环传递函数等式(4)和(6)的分母中，包含了网络未知时延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的传递函数等式(1)和(3)的分母中，均包含了网络未知时延τ₁和τ₂的指数项和以及闭环控制回路2的传递函数等式(4)和(6)的分母中，均包含了网络未知时延τ₃和τ₄的指数项和

由于闭环控制回路1的输出信号y₁(s)不仅受到其输入信号x₁(s)的影响，同时还受到闭环控制回路2的输入信号x₂(s)的影响；与此同时，闭环控制回路2的输出信号y₂(s)不仅受到其输入信号x₂(s)的影响，同时也受到闭环控制回路1的输入信号x₁(s)的影响；网络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，针对图3中的闭环控制回路1和回路2：本发明提出一种IMC方法，构成两闭环控制回路网络时延的补偿与IMC，用于免除对各闭环控制回路中，节点之间未知网络时延的测量、估计或辨识，进而降低网络时延τ₁和τ₂，以及τ₃和τ₄对各自闭环控制回路以及对整个控制系统控制性能质量与系统稳定性的影响；改善系统的动态性能质量，实现对TITO-NDCS未知网络时延的分段、实时、在线和动态的预估补偿与IMC。

采用方法：

针对图3中的闭环控制回路1：

第一步：在控制器C1节点中，构建一个内模控制器C_1IMC(s)取代控制器C₁(s)；为了实现满足预估补偿条件时，闭环控制回路1的闭环特征方程不再包含网络时延指数项，以实现对网络未知时延τ₁和τ₂的补偿与控制，围绕被控对象G₁₁(s)，以闭环控制回路1输出y₁(s)作为输入信号，将y₁(s)通过网络传输时延预估模型和预估内模控制器C_1mIMC(s)以及网络传输时延预估模型构造一个正反馈预估控制回路；实施本步骤的结构如图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，必须满足网络时延预估模型和要等于其真实模型和的条件，以及满足预估内模控制器C_1mIMC(s)等于其内模控制器C_1IMC(s)的条件(由于内模控制器C_1IMC(s)是人为设计与选择，自然满足C_1mIMC(s)＝C_1IMC(s))。为此，从传感器S1节点到控制器C1节点之间，以及从控制器C1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和代替其间网络时延的预估补偿模型和得到图5所示的网络未知时延补偿与控制结构；

第三步：将图5中内模控制器C_1IMC(s)，按传递函数等价变换规则进一步化简，得到图6所示的实施本发明方法的网络时延补偿与IMC结构；

针对图3中的闭环控制回路2：

第一步：在控制器C2节点中，构建一个内模控制器C_2IMC(s)取代控制器C₂(s)；为了实现满足预估补偿条件时，闭环控制回路2的闭环特征方程不再包含网络时延指数项，以实现对网络未知时延τ₃和τ₄的补偿与控制，围绕被控对象G₂₂(s)，以闭环控制回路2输出y₂(s)作为输入信号，将y₂(s)通过网络传输时延预估模型和预估内模控制器C_2mIMC(s)以及网络传输时延预估模型构造一个正反馈预估控制回路；实施本步骤的结构如图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，必须满足网络时延预估模型和要等于其真实模型和的条件，以及满足预估内模控制器C_2mIMC(s)等于其内模控制器C_2IMC(s)的条件(由于内模控制器C_2IMC(s)是人为设计与选择，自然满足C_2mIMC(s)＝C_2IMC(s))。为此，从传感器S2节点到控制器C2节点之间，以及从控制器C2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和代替其间网络时延的预估补偿模型和得到图5所示的未知网络时延补偿与控制结构；

第三步：将图5中内模控制器C_2IMC(s)，按传递函数等价变换规则进一步化简，得到图6所示的实施本发明方法的网络时延补偿与IMC结构。

在此需要特别说明的是，在图6的控制器C1和C2节点中，分别出现了闭环控制回路1和回路2的给定信号x₁(s)和x₂(s)，分别与其反馈信号y₁(s)和y₂(s)实施先“减”后“加”，或先“加”后“减”的运算规则，即y₁(s)和y₂(s)信号分别同时经过正反馈和负反馈连接到控制器C1和C2节点中：

(1)这是由于将图5中的内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)，分别按照传递函数等价变换规则进一步化简得到图6所示的结果，并非人为设置；

(2)由于NCS的节点几乎都是智能节点，不仅具有通信与运算功能，而且还具有存储与控制等功能，在节点中对同一个信号进行先“减”后“加”，或先“加”后“减”，这在运算法则上不会有什么不符合规则之处；

(3)在节点中对同一个信号进行“加”与“减”运算其结果值为“零”，这个“零”值，并不表明在该节点中信号y₁(s)或者y₂(s)就不存在，或没有得到y₁(s)或者y₂(s)信号，或信号没有被贮存；或因“相互抵消”导致“零”信号值就变成不存在，或没有意义；

(4)控制器C1或者C2节点的触发，就分别来自于信号y₁(s)或者y₂(s)的驱动，如果控制器C1或者C2节点没有接收到来自反馈网络通路传输过来的信号y₁(s)或者y₂(s)，则处于事件驱动工作方式的控制器C1或者C2节点将不会被触发。

对于图6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：C_1IMC(s)是内模控制器。

2)来自闭环控制回路2的解耦执行器DA2节点中的控制信号u₂(s)，作用于交叉解耦通道P₁₂(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元，其输出信号y_p12(s)再作用于闭环控制回路1，从输入信号u₂(s)到输出信号y₁(s)之间闭环传递函数为：

3)来自闭环控制回路2解耦执行器DA2节点输出的驱动信号u_2p(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G₁₂(s)作用于闭环控制回路1的输出信号y₁(s)，从输入信号u_2p(s)到输出信号y₁(s)之间闭环传递函数为：

采用本发明方法，闭环控制回路1的分母为1，其闭环传递函数的分母中不再包含影响系统稳定性的未知网络时延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，改善系统动态控制性能质量，实现对未知网络时延的动态补偿与IMC。

对于图6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：C_2IMC(s)是内模控制器。

2)来自闭环控制回路1的解耦执行器DA1节点中的控制信号u₁(s)，作用于交叉解耦通道P₂₁(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元，其输出信号y_p21(s)再作用于闭环控制回路2，从输入信号u₁(s)到输出信号y₂(s)之间闭环传递函数为：

3)来自闭环控制回路1解耦执行器DA1节点输出的驱动信号u_1p(s)，通过被控对象交叉通道传递函数G₂₁(s)作用于闭环控制回路2的输出信号y₂(s)，从输入信号u_1p(s)到输出信号y₂(s)之间闭环传递函数为：

采用本发明方法，闭环控制回路2的分母为1，闭环特征方程中不再包含影响系统稳定性的未知网络时延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，改善系统动态控制性能质量，实现对未知网络时延的动态补偿与IMC。

在闭环控制回路1和回路2中，内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)的设计与选择：

设计内模控制器一般采用零极点相消法，即两步设计法：第一步是设计一个取之为被控对象模型的逆模型作为前馈控制器C₁₁(s)和C₂₂(s)；第二步是在前馈控制器中添加一定阶次的前馈滤波器f₁(s)和f₂(s)，构成一个完整的内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)。

(1)前馈控制器C₁₁(s)和C₂₂(s)

先忽略被控对象与被控对象模型不完全匹配时的误差、系统的干扰及其它各种约束条件等因素，选择闭环控制回路1和回路2中，被控对象预估模型等于其真实模型，即：G_11m(s)＝G₁₁(s)，G_22m(s)＝G₂₂(s)。

此时，被控对象预估模型可以根据被控对象的零极点分布状况划分为：G_11m(s)＝G_11m+(s)G_11m-(s)和G_22m(s)＝G_22m+(s)G_22m-(s)，其中：G_11m+(s)和G_22m+(s)分别为被控对象预估模型G_11m(s)和G_22m(s)中包含纯滞后环节和s右半平面零极点的不可逆部分；G_11m-(s)和G_22m-(s)分别为被控对象预估模型中的最小相位可逆部分。

通常情况下，闭环控制回路1和回路2的前馈控制器C₁₁(s)和C₂₂(s)可分别选取为：和

(2)前馈滤波器f₁(s)和f₂(s)

由于被控对象中的纯滞后环节和位于s右半平面的零极点会影响前馈控制器的物理实现性，因而在前馈控制器的设计过程中只取了被控对象最小相位的可逆部分G_11m-(s)和G_22m-(s)，忽略了G_11m+(s)和G_22m+(s)；由于被控对象与被控对象预估模型之间可能不完全匹配而存在误差，系统中还可能存在干扰信号，这些因素都有可能使系统失去稳定。为此，在前馈控制器中添加一定阶次的前馈滤波器，用于降低以上因素对系统稳定性的影响，提高系统的鲁棒性。

通常把闭环控制回路1的前馈滤波器f₁(s)，以及控制回路2的前馈滤波器f₂(s)，分别选取为比较简单的n₁和n₂阶滤波器和其中：λ₁和λ₂为前馈滤波器时间常数；n₁和n₂为前馈滤波器的阶次，且n₁＝n_1a-n_1b和n₂＝n_2a-n_2b；n_1a和n_2a分别为被控对象G₁₁(s)和G₂₂(s)分母的阶次；n_1b和n_2b分别为被控对象G₁₁(s)和G₂₂(s)分子的阶次，通常n₁＞0和n₂＞0。

(3)内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)

闭环控制回路1和回路2的内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)可分别选取为:

和

从等式(13)和(14)中可以看出：一个自由度的内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)中，都只有一个可调节参数λ₁和λ₂；由于λ₁和λ₂参数的变化与系统的跟踪性能和抗干扰能力都有着直接的关系，因此在整定滤波器的可调节参数λ₁和λ₂时，一般需要在系统的跟踪性与抗干扰能力两者之间进行折衷。

本发明的适用范围：

适用于被控对象数学模型已知或不确知的一种二输入二输出网络解耦控制系统(TITO-NDCS)未知网络时延的补偿与IMC；其研究思路与方法，同样也适用于被控对象数学模型已知或不确知的多输入多输出网络解耦控制系统(MIMO-NDCS)未知网络时延的补偿与IMC。

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).当控制器C1节点被反馈信号y₁(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IMC信号u₁(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(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).当控制器C2节点被反馈信号y₂(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IMC信号u₂(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(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)进行采样，并计算出闭环控制回路1的系统输出信号y₁(s)，且y₁(s)＝y₁₁(s)+y₁₂(s)；

A3：将反馈信号y₁(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制器C1节点传输，反馈信号y₁(s)将经历网络传输时延τ₂后，才能到达控制器C1节点；

方式B的步骤包括：

B1：控制器C1节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y₁(s)所触发；

B2：在控制器C1节点中，将闭环控制回路1的系统给定信号x₁(s)，与反馈信号y₁(s)相加并相减后，得到信号e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)+y₁(s)-y₁(s)＝x₁(s)；

B3：对e₁(s)实施内模控制算法C_1IMC(s)，得到IMC信号u₁(s)；

B4：将IMC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，IMC信号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IMC信号u₁(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(s)所触发；

C2：将IMC信号u₁(s)作用于交叉解耦通道P₂₁(s)单元得到其输出信号y_p21(s)；

C3：将信号y_p21(s)通过交叉解耦网络传输通道单元，向闭环控制回路2的解耦执行器DA2节点传输；信号y_p21(s)将经历网络传输时延τ₂₁后，才能到达解耦执行器DA2节点；

C4：将IMC信号u₁(s)与来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的IMC信号u₂(s)通过交叉解耦通道P₁₂(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(s)相减得到信号u_1p(s)，即u_1p(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

C5：将信号u_1p(s)作用于被控对象G₁₁(s)得到其输出值y₁₁(s)；将信号u_1p(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，同时实现对网络未知时延τ₁和τ₂的补偿与IMC；

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)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)进行采样，并计算出闭环控制回路2的系统输出信号y₂(s)，且y₂(s)＝y₂₂(s)+y₂₁(s)；

D3：将反馈信号y₂(s)，通过闭环控制回路2的反馈网络通路向控制器C2节点传输，反馈信号y₂(s)将经历网络传输时延τ₄后，才能到达控制器C2节点；

方式E的步骤包括：

E1：控制器C2节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y₂(s)所触发；

E2：在控制器C2节点中，将闭环控制回路2的系统给定信号x₂(s)，与反馈信号y₂(s)相加并相减后，得到信号e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)+y₂(s)-y₂(s)＝x₂(s)；

E3：对e₂(s)实施内模控制算法C_2IMC(s)，得到IMC信号u₂(s)；

E4：将IMC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，IMC信号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IMC信号u₂(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(s)所触发；

F2：将IMC信号u₂(s)作用于交叉解耦通道P₁₂(s)单元得到其输出信号y_p12(s)；

F3：将信号y_p12(s)通过交叉解耦网络传输通道单元，向闭环控制回路1的解耦执行器DA1节点传输；信号y_p12(s)将经历网络传输时延τ₁₂后，才能到达解耦执行器DA1节点；

F4：将IMC信号u₂(s)与来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的IMC信号u₁(s)通过交叉解耦通道P₂₁(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(s)相减得到信号u_2p(s)，即u_2p(s)＝u₂(s)-y_p21(s)；

F5：将信号u_2p(s)作用于被控对象G₂₂(s)得到其输出值y₂₂(s)；将信号u_2p(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，同时实现对网络未知时延τ₃和τ₄的补偿与IMC。

本发明具有如下特点：

1、由于从结构上免除对TITO-NDCS中，网络未知时延的测量、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、TITO-NDCS中的闭环控制回路1和控制回路2均采用IMC，其内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)的可调参数分别为λ₁和λ₂，其参数的调节与选择简单，且物理意义明确；采用IMC不仅可以提高系统的稳定性、跟踪性能与抗干扰性能，而且还可实现对未知网络时延的补偿与IMC。

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，足以实现其补偿与控制功能，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；τ_ca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；τ_sc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：y_j(s)表示系统的第j个输出信号；u_i(s)表示第i个控制信号；表示将控制信号u_i(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y_j(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由闭环控制回路1和2所构成，其系统包含传感器S1和S2节点，控制器C1和C2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)，前向网络通路传输单元和以及反馈网络通路传输单元和交叉解耦通道传递函数P₂₁(s)和P₁₂(s)，以及交叉解耦网络通路传输单元和所组成。

图3中：x₁(s)和x₂(s)表示系统的输入信号；y₁(s)和y₂(s)表示系统的输出信号；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；y_p21(s)和y_p12(s)表示交叉解耦通道输出信号；u_1p(s)和u_2p(s)是解耦执行器DA1和DA2节点的输出驱动信号；τ₂₁和τ₁₂表示将交叉解耦通道传递函数P₂₁(s)和P₁₂(s)的输出信号y_p21(s)和y_p12(s)向解耦执行器DA2和DA1节点传输所经历的网络通路传输时延；τ₁和τ₃表示将控制信号u₁(s)和u₂(s)从控制器C1和C2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C1和C2节点传输所经历的反馈网络通路传输时延。

图4：一种包含预估模型的TITO-NDCS时延补偿与控制结构

图4中：C_1mIMC(s)是控制回路1的内模控制器C_1IMC(s)的预估模型；C_2mIMC(s)是控制回路2的内模控制器C_2IMC(s)的预估模型；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。

图5：用真实模型代替预估模型的时延补偿与控制结构

图6：一种二输入二输出NDCS未知时延补偿与IMC方法

具体实施方式

下面将通过参照附图6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，当传感器S1节点被周期为h₁的采样信号触发后，将对被控对象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)进行采样，并计算出闭环控制回路1的系统输出信号y₁(s)，且y₁(s)＝y₁₁(s)+y₁₂(s)；

第二步：传感器S1节点将反馈信号y₁(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制器C1节点传输，反馈信号y₁(s)将经历网络传输时延τ₂后，才能到达控制器C1节点；

第三步：控制器C1节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y₁(s)所触发后，将闭环控制回路1的系统给定信号x₁(s)，与反馈信号y₁(s)相加并相减后，得到信号e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)+y₁(s)-y₁(s)＝x₁(s)；对e₁(s)实施内模控制算法C_1IMC(s)，得到IMC信号u₁(s)；

第四步：将IMC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，IMC信号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；

第五步：解耦执行器DA1节点工作于事件驱动方式，被IMC信号u₁(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(s)所触发；

第六步：当解耦执行器DA1节点被触发后，将IMC信号u₁(s)作用于交叉解耦通道P₂₁(s)单元得到其输出信号y_p21(s)；将信号y_p21(s)通过交叉解耦网络传输通道单元，向闭环控制回路2的解耦执行器DA2节点传输；信号y_p21(s)将经历网络传输时延τ₂₁后，才能到达解耦执行器DA2节点；

第七步：将IMC信号u₁(s)与来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的IMC信号u₂(s)通过交叉解耦通道P₁₂(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(s)相减得到信号u_1p(s)，即u_1p(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

第八步：将信号u_1p(s)作用于被控对象G₁₁(s)得到其输出值y₁₁(s)；将信号u_1p(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，同时实现对网络时延τ₁和τ₂的补偿与IMC；

第九步：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，当传感器S2节点被周期为h₂的采样信号触发后，将对被控对象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)进行采样，并计算出闭环控制回路2的系统输出信号y₂(s)，且y₂(s)＝y₂₂(s)+y₂₁(s)；

第二步：传感器S2节点将反馈信号y₂(s)，通过闭环控制回路2的反馈网络通路向控制器C2节点传输，反馈信号y₂(s)将经历网络传输时延τ₄后，才能到达控制器C2节点；

第三步：控制器C2节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y₂(s)所触发后，将闭环控制回路2的系统给定信号x₂(s)，与反馈信号y₂(s)相加并相减后，得到信号e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)+y₂(s)-y₂(s)＝x₂(s)；对e₂(s)实施内模控制算法C_2IMC(s)，得到IMC信号u₂(s)；

第四步：将IMC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，IMC信号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；

第五步：解耦执行器DA2节点工作于事件驱动方式，被IMC信号u₂(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(s)所触发；

第六步：当解耦执行器DA2节点被触发后，将IMC信号u₂(s)作用于交叉解耦通道P₁₂(s)单元得到其输出信号y_p12(s)；将信号y_p12(s)通过交叉解耦网络传输通道单元，向闭环控制回路1的解耦执行器DA1节点传输；信号y_p12(s)将经历网络传输时延τ₁₂后，才能到达解耦执行器DA1节点；

第七步：将IMC信号u₂(s)与来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的信号u₁(s)通过交叉解耦通道P₂₁(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(s)相减得到信号u_2p(s)，即u_2p(s)＝u₂(s)-y_p21(s)；

第八步：将信号u_2p(s)作用于被控对象G₂₂(s)得到其输出值y₂₂(s)；将信号u_2p(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，同时实现对网络时延τ₃和τ₄的补偿与IMC；

第九步：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)

1.一种二输入二输出NDCS未知时延补偿与IMC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).当控制器C1节点被反馈信号y₁(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IMC信号u₁(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(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).当控制器C2节点被反馈信号y₂(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IMC信号u₂(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(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)进行采样，并计算出闭环控制回路1的系统输出信号y₁(s)，且y₁(s)＝y₁₁(s)+y₁₂(s)；

A3：将反馈信号y₁(s)，通过闭环控制回路1的反馈网络通路向控制器C1节点传输，反馈信号y₁(s)将经历网络传输时延τ₂后，才能到达控制器C1节点；

方式B的步骤包括：

B1：控制器C1节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y₁(s)所触发；

B2：在控制器C1节点中，将闭环控制回路1的系统给定信号x₁(s)，与反馈信号y₁(s)相加并相减后，得到信号e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)+y₁(s)-y₁(s)＝x₁(s)；

B3：对e₁(s)实施内模控制算法C_1IMC(s)，得到IMC信号u₁(s)；

B4：将IMC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，IMC信号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IMC信号u₁(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(s)所触发；

C2：将IMC信号u₁(s)作用于交叉解耦通道P₂₁(s)单元得到其输出信号y_p21(s)；

C3：将信号y_p21(s)通过交叉解耦网络传输通道单元，向闭环控制回路2的解耦执行器DA2节点传输；信号y_p21(s)将经历网络传输时延τ₂₁后，才能到达解耦执行器DA2节点；

C4：将IMC信号u₁(s)与来自于闭环控制回路2解耦执行器DA2节点的IMC信号u₂(s)通过交叉解耦通道P₁₂(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p12(s)相减得到信号u_1p(s)，即u_1p(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

C5：将信号u_1p(s)作用于被控对象G₁₁(s)得到其输出值y₁₁(s)；将信号u_1p(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，同时实现对网络未知时延τ₁和τ₂的补偿与IMC；

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)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)进行采样，并计算出闭环控制回路2的系统输出信号y₂(s)，且y₂(s)＝y₂₂(s)+y₂₁(s)；

D3：将反馈信号y₂(s)，通过闭环控制回路2的反馈网络通路向控制器C2节点传输，反馈信号y₂(s)将经历网络传输时延τ₄后，才能到达控制器C2节点；

方式E的步骤包括：

E1：控制器C2节点工作于事件驱动方式，被反馈信号y₂(s)所触发；

E2：在控制器C2节点中，将闭环控制回路2的系统给定信号x₂(s)，与反馈信号y₂(s)相加并相减后，得到信号e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)+y₂(s)-y₂(s)＝x₂(s)；

E3：对e₂(s)实施内模控制算法C_2IMC(s)，得到IMC信号u₂(s)；

E4：将IMC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，IMC信号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IMC信号u₂(s)或者被来自交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(s)所触发；

F2：将IMC信号u₂(s)作用于交叉解耦通道P₁₂(s)单元得到其输出信号y_p12(s)；

F3：将信号y_p12(s)通过交叉解耦网络传输通道单元，向闭环控制回路1的解耦执行器DA1节点传输；信号y_p12(s)将经历网络传输时延τ₁₂后，才能到达解耦执行器DA1节点；

F4：将IMC信号u₂(s)与来自于闭环控制回路1解耦执行器DA1节点的IMC信号u₁(s)通过交叉解耦通道P₂₁(s)单元及交叉解耦网络传输通道单元的输出信号y_p21(s)相减得到信号u_2p(s)，即u_2p(s)＝u₂(s)-y_p21(s)；

F5：将信号u_2p(s)作用于被控对象G₂₂(s)得到其输出值y₂₂(s)；将信号u_2p(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，同时实现对网络未知时延τ₃和τ₄的补偿与IMC。

2.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未知网络时延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-NDCS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：针对TITO-NDCS中的闭环控制回路1和控制回路2采用IMC，其内模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)的参数调节与选择简单，且物理意义明确；采用IMC可以提高系统稳定性和跟踪性以及抗干扰性能，实现对未知网络时延的补偿与IMC。