一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延二自由度IMC(Internal Model Control，IMC)方法，涉及自動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò)通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)的交叉領(lǐng)域，尤其涉及帶寬資源有限的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，以及生產(chǎn)過程控制日益大型化、廣域化、復(fù)雜化及網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，越來越多的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked control systems，NCS)是指基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

NCS可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜大系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制，節(jié)點(diǎn)資源共享，增加系統(tǒng)的柔性和可靠性，近年來已被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜工業(yè)過程控制、電力系統(tǒng)、石油化工、軌道交通、航空航天、環(huán)境監(jiān)測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。

在NCS中，當(dāng)傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可能存在多包傳輸、多路徑傳輸、數(shù)據(jù)碰撞，網(wǎng)絡(luò)擁塞甚至連接中斷等現(xiàn)象，使得NCS面臨諸多新的挑戰(zhàn)。尤其是網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的存在，可降低NCS的控制質(zhì)量，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

目前，國內(nèi)外對(duì)于NCS的研究，主要是針對(duì)單輸入單輸出(Single-input and single-output，SISO)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延恒定、未知或隨機(jī)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延小于一個(gè)采樣周期或大于一個(gè)采樣周期，單包傳輸或多包傳輸，有無數(shù)據(jù)包丟失等情況下，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模或穩(wěn)定性分析與控制。但是，針對(duì)實(shí)際工業(yè)過程中，普遍存在的至少包含兩個(gè)輸入與兩個(gè)輸出(Two-input and two-output，TITO)所構(gòu)成的多輸入多輸出(Multiple-input and multiple-output，MIMO)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究則相對(duì)較少，尤其是針對(duì)基于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的時(shí)延補(bǔ)償方法的研究成果則相對(duì)更少。

MIMO-NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與SISO-NCS相比，MIMO-NCS具有以下特點(diǎn)：

(1)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間彼此影響并可能產(chǎn)生耦合作用

在MIMO-NCS中，一個(gè)輸入信號(hào)的變化可以使得多個(gè)輸出信號(hào)發(fā)生變化，而各個(gè)輸出信號(hào)也不只受到一個(gè)輸入信號(hào)的影響。即使輸入與輸出信號(hào)之間經(jīng)過精心選擇配對(duì)，各控制回路之間也難免存在著相互影響，因而要使輸出信號(hào)獨(dú)立地跟蹤各自的輸入信號(hào)是有困難的。

(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)要比SISO-NCS復(fù)雜得多

(3)被控對(duì)象存在不確定性的因素較多

在MIMO-NCS中，涉及的參數(shù)較多，各控制回路間的聯(lián)系較多，被控對(duì)象參數(shù)變化對(duì)整體控制性能的影響會(huì)變得較為復(fù)雜。

(4)控制部件失效的可能性較大

在MIMO-NCS中，至少包含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的閉環(huán)控制回路，并且至少包含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的傳感器和執(zhí)行器。每一個(gè)元件的失效都可能影響整個(gè)控制系統(tǒng)的性能質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至造成重大事故。

由于MIMO-NCS的上述特殊性，使得基于SISO-NCS進(jìn)行設(shè)計(jì)與控制的方法，已無法滿足MIMO-NCS的控制性能與控制質(zhì)量的要求，使其不能或不能直接應(yīng)用于MIMO-NCS的設(shè)計(jì)與控制中，給MIMO-NCS的設(shè)計(jì)與分析帶來了困難。

對(duì)于MIMO-NCS，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償與控制的難點(diǎn)主要在于：

(1)由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)包大小等因素有關(guān)，對(duì)大于數(shù)個(gè)乃至數(shù)十個(gè)采樣周期的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，要建立MIMO-NCS中各個(gè)控制回路的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、估計(jì)或辨識(shí)的數(shù)學(xué)模型，目前是有困難的。

(2)發(fā)生在MIMO-NCS中，前一個(gè)節(jié)點(diǎn)向后一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過程中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，在前一個(gè)節(jié)點(diǎn)中無論采用何種預(yù)測(cè)或估計(jì)方法，都不可能事先提前知道其后產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的準(zhǔn)確值。時(shí)延導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)也給控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)帶來了困難。

(3)要滿足MIMO-NCS中，不同分布地點(diǎn)的所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)完全同步是不現(xiàn)實(shí)的。

(4)由于MIMO-NCS中，輸入與輸出信號(hào)之間彼此影響，并可能產(chǎn)生耦合作用，系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比SISO-NCS復(fù)雜，存在的不確定性因素較多，各控制回路的控制性能質(zhì)量優(yōu)劣與其穩(wěn)定性問題將對(duì)整個(gè)系 統(tǒng)的性能質(zhì)量與穩(wěn)定性產(chǎn)生影響和制約，其實(shí)施時(shí)延補(bǔ)償與控制要比SISO-NCS困難得多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及MIMO-NCS中的一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TITO-NCS)時(shí)延的補(bǔ)償與控制，其TITO-NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

針對(duì)圖3中的閉環(huán)控制回路1：

1)從輸入信號(hào)x₁(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：C₁(s)是控制器，G₁₁(s)是被控對(duì)象；τ₁表示將控制信號(hào)u₁(s)從C₁(s)控制器所在的C節(jié)點(diǎn)，經(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)綀?zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；τ₂表示將輸出信號(hào)y₁(s)從傳感器S1節(jié)點(diǎn)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)紺₁(s)控制器所在的C節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

2)來自閉環(huán)控制回路2執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u₂(s)，通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)影響閉環(huán)控制回路1的輸出信號(hào)y₁(s)，從輸入信號(hào)u₂(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(1)和(2)的分母中，包含了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的指數(shù)項(xiàng)和 時(shí)延的存在將惡化控制系統(tǒng)的性能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

針對(duì)圖3中的閉環(huán)控制回路2：

1)從輸入信號(hào)x₂(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：C₂(s)是控制器，G₂₂(s)是被控對(duì)象；τ₃表示將控制信號(hào)u₂(s)從C₂(s)控制器所在的C節(jié)點(diǎn)，經(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)綀?zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；τ₄表示將輸出信號(hào)y₂(s)從傳感器S2節(jié)點(diǎn)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)紺₂(s)控制器所在的C節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

2)來自閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)u₁(s)，通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)影響閉環(huán)控制回路2的輸出信號(hào)y₂(s)，從輸入信號(hào)u₁(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(3)和(4)的分母中，包含了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的指數(shù)項(xiàng)和時(shí)延的存在將惡化控制系統(tǒng)的性能質(zhì)量，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

發(fā)明目的：

針對(duì)圖3的TITO-NCS，其閉環(huán)控制回路1的傳遞函數(shù)等式(1)和(2)的分母中，均包含了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的指數(shù)項(xiàng)和以及閉環(huán)控制回路2的傳遞函數(shù)等式(3)和(4)的分母中，均包含了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的指數(shù)項(xiàng)和

由于閉環(huán)控制回路1的輸出信號(hào)y₁(s)不僅受到其輸入信號(hào)x₁(s)的影響，同時(shí)還受到閉環(huán)控制回路2的輸入信號(hào)x₂(s)的影響；與此同時(shí)，閉環(huán)控制回路2的輸出信號(hào)y₂(s)不僅受到其輸入信號(hào)x₂(s)的影響，同時(shí)也受到閉環(huán)控制回路1的輸入信號(hào)x₁(s)的影響。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的存在會(huì)降低各自閉環(huán)控制回路的控制性能質(zhì)量并影響各自閉環(huán)控制回路的穩(wěn)定性，同時(shí)也將降低整個(gè)系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量并影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

本發(fā)明的目的在于：

1)為了免除對(duì)各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量、估計(jì)或辨識(shí)，進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂， 以及τ₃和τ₄對(duì)各自閉環(huán)控制回路以及整個(gè)控制系統(tǒng)控制性能質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，當(dāng)預(yù)估模型等于其真實(shí)模型時(shí)，可實(shí)現(xiàn)各自閉環(huán)控制回路的特征方程中不包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的指數(shù)項(xiàng)，進(jìn)而可降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)TITO-NCS網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的分段、實(shí)時(shí)、在線和動(dòng)態(tài)的預(yù)估補(bǔ)償與控制。

2)針對(duì)一自由度IMC的兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由于其內(nèi)模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)中，只有一個(gè)前饋濾波器參數(shù)λ₁和λ₂可調(diào)節(jié)，需要在系統(tǒng)的跟蹤性與魯棒性之間進(jìn)行折衷，對(duì)于高性能要求的控制系統(tǒng)或存在較大擾動(dòng)和模型失配的系統(tǒng)，難以兼顧各方面的性能而獲得滿意的控制效果。

因此，本發(fā)明提出一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延二自由度IMC方法。

采用方法：

針對(duì)圖3中的閉環(huán)控制回路1：

第一步：在控制器C節(jié)點(diǎn)中，首先構(gòu)建一個(gè)內(nèi)模控制器C_1IMC(s)用于取代控制器C₁(s)；為了實(shí)現(xiàn)滿足預(yù)估補(bǔ)償條件時(shí)，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)特征方程中不再包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的指數(shù)項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與控制，采用以控制信號(hào)u₁(s)和u₂(s)作為輸入信號(hào)，被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)和G_12m(s)作為被控過程，控制與過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延預(yù)估模型以及圍繞內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)，構(gòu)造一個(gè)正反饋預(yù)估控制回路和一個(gè)負(fù)反饋預(yù)估控制回路，如圖4所示；

第二步：針對(duì)實(shí)際TITO-NCS中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)延準(zhǔn)確值的問題，在圖4中要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與IMC，除了要滿足被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型的條件外，還必須滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延預(yù)估模型以及要等于其真實(shí)模型以及的條件。為此，從傳感器S1節(jié)點(diǎn)到控制器C節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制器C節(jié)點(diǎn)到執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)之間，采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的預(yù)估補(bǔ)償模型以及因而無論被控對(duì)象的預(yù)估模型是否等于其真實(shí)模型，都可以從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的預(yù)估補(bǔ)償模型，從而免除對(duì)閉環(huán)控制回路1中，節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的測(cè)量、估計(jì)或辨識(shí)；當(dāng)預(yù)估模型等于其真實(shí)模型時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與控制；與此同時(shí)，在控制器C節(jié)點(diǎn)閉環(huán)控制回路1的反饋回路中，增加反饋濾波器F₁(s)；實(shí)施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延二自由度IMC方法結(jié)構(gòu)如圖5所示；

針對(duì)圖3中的閉環(huán)控制回路2：

第一步：在控制器C節(jié)點(diǎn)中，首先構(gòu)建一個(gè)內(nèi)?？刂破鰿_2IMC(s)用于取代控制器C₂(s)；為了實(shí)現(xiàn)滿足預(yù)估補(bǔ)償條件時(shí)，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)特征方程中不再包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的指數(shù)項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與控制，采用以控制信號(hào)u₁(s)和u₂(s)作為輸入信號(hào)，被控對(duì)象預(yù)估模型G_22m(s)和G_21m(s)作為被控過程，控制與過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)時(shí)延傳輸預(yù)估模型以及圍繞內(nèi)模控制器C_2IMC(s)，構(gòu)造一個(gè)正反饋預(yù)估控制回路和一個(gè)負(fù)反饋預(yù)估控制回路，如圖4所示；

第二步：針對(duì)實(shí)際TITO-NCS中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)延準(zhǔn)確值的問題，在圖4中要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與IMC，除了要滿足被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型的條件外，還必須滿足的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延預(yù)估模型以及要等于其真實(shí)模型以及的條件。為此，從傳感器S2節(jié)點(diǎn)到控制器C節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制器C節(jié)點(diǎn)到執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)之間，采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的預(yù)估補(bǔ)償模型以及因而無論被控對(duì)象的預(yù)估模型是否等于其真實(shí)模型，都可以從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的預(yù)估補(bǔ)償模型，從而免除對(duì)閉環(huán)控制回路2中，節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的測(cè)量、估計(jì)或辨識(shí)；當(dāng)預(yù)估模型等于其真實(shí)模型時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與控制；與此同時(shí)，在控制器C節(jié)點(diǎn)閉環(huán)控制回路2的反饋回路中，增加反饋濾波器F₂(s)；實(shí)施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延二自由度IMC方法結(jié)構(gòu)如圖5所示。

對(duì)于圖5中的閉環(huán)控制回路1：

1)從輸入信號(hào)x₁(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：G_11m(s)是被控對(duì)象G₁₁(s)的預(yù)估模型；C_1IMC(s)是內(nèi)模控制器；F₁(s)是反饋濾波器。

2)來自于閉環(huán)控制回路2控制器C節(jié)點(diǎn)中的內(nèi)?？刂菩盘?hào)u₂(s)，在控制器C節(jié)點(diǎn)中通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)作用于閉環(huán)控制回路1；來自閉環(huán)控制回路2的執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)的輸出內(nèi)模控制信號(hào)u₂(s)，同時(shí)通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)和其預(yù)估模型G_12m(s)作用于閉環(huán)控制回路1；從輸入信號(hào)u₂(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，當(dāng)被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，即當(dāng)G_11m(s)＝G₁₁(s)時(shí)，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)傳遞函數(shù)式(5)和(6)的分母由變成為1；此時(shí)，閉環(huán)控制回路1相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中已經(jīng)不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的指數(shù)項(xiàng) 和系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅與被控對(duì)象和內(nèi)?？刂破鞅旧淼姆€(wěn)定性有關(guān)；從而可降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制性能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與二自由度IMC。

當(dāng)系統(tǒng)存在較大擾動(dòng)和模型失配時(shí)，反饋濾波器F₁(s)的存在可以提高系統(tǒng)的跟蹤性和抗干擾能力，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量。

對(duì)于圖5中的閉環(huán)控制回路2：

1)從輸入信號(hào)x₂(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

式中：G_22m(s)是被控對(duì)象G₂₂(s)的預(yù)估模型；C_2IMC(s)是內(nèi)?？刂破?。

2)來自閉環(huán)控制回路1控制器C節(jié)點(diǎn)中的內(nèi)?？刂菩盘?hào)u₁(s)，在控制器C節(jié)點(diǎn)中通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)的預(yù)估模型G_21m(s)作用于閉環(huán)控制回路2；來自閉環(huán)控制回路1的執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)的輸出內(nèi)?？刂菩盘?hào)u₁(s)，同時(shí)通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)和其預(yù)估模型G_21m(s)作用于閉環(huán)控制回路2；從輸入信號(hào)u₁(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，當(dāng)被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，即當(dāng)G_22m(s)＝G₂₂(s)時(shí)，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)傳遞函數(shù)式(7)和(8)的分母由變成為1；此時(shí)，閉環(huán)控制回路2相當(dāng)于一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母中已經(jīng)不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的指數(shù)項(xiàng)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅與被控對(duì)象和內(nèi)?？刂破鞅旧淼姆€(wěn)定性有關(guān)；從而可降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制性能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與二自由度IMC。

當(dāng)系統(tǒng)存在較大擾動(dòng)和模型失配時(shí)，反饋濾波器F₂(s)的存在可以提高系統(tǒng)的跟蹤性和抗干擾能力，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量。

在閉環(huán)控制回路1和回路2中，二自由度IMC的設(shè)計(jì)：

1)內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)和C_2IMC(s)的設(shè)計(jì)與選擇：

設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂破饕话悴捎昧銟O點(diǎn)相消法，即兩步設(shè)計(jì)法：第一步是設(shè)計(jì)一個(gè)取之為被控對(duì)象模型的逆模型作為前饋控制器C₁₁(s)和C₂₂(s)；第二步是在前饋控制器中添加一定階次的前饋濾波器f₁(s)和f₂(s)，構(gòu)成一個(gè)完整的內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)和C_2IMC(s)。

(1)前饋控制器C₁₁(s)和C₂₂(s)

先忽略被控對(duì)象與被控對(duì)象模型不完全匹配時(shí)的誤差、系統(tǒng)的干擾及其它各種約束條件等因素，選擇閉環(huán)控制回路1和回路2中，被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，即：G_11m(s)＝G₁₁(s)，G_22m(s)＝G₂₂(s)。

此時(shí)，被控對(duì)象預(yù)估模型可以根據(jù)被控對(duì)象的零極點(diǎn)分布狀況劃分為：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)分別為被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)和G_22m(s)中包含純滯后環(huán)節(jié)和s右半平面零極點(diǎn)的不可逆部分；G_11m-(s)和G_22m-(s)分別為被控對(duì)象預(yù)估模型中的最小相位可逆部分。

通常情況下，閉環(huán)控制回路1和回路2的前饋控制器C₁₁(s)和C₂₂(s)可分別選取為：和

(2)前饋濾波器f₁(s)和f₂(s)

由于被控對(duì)象中的純滯后環(huán)節(jié)和位于s右半平面的零極點(diǎn)會(huì)影響前饋控制器的物理實(shí)現(xiàn)性，因而在前饋控制器的設(shè)計(jì)過程中只取了被控對(duì)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)；由于被控對(duì)象與被控對(duì)象預(yù)估模型之間可能不完全匹配而存在誤差，系統(tǒng)中還可能存在干擾信號(hào)，這些因素都有可能使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。為此，在前饋控制器中添加一定階次的前饋濾波器，用于降低以上因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提高系統(tǒng)的魯棒性。

通常把閉環(huán)控制回路1的前饋濾波器f₁(s)，以及控制回路2的前饋濾波器f₂(s)，分別選取為比較簡單的n₁和n₂階濾波器和其中：λ₁和λ₂為前饋濾波器時(shí)間常數(shù)；n₁和n₂為前饋濾波器的階次，且n₁＝n_1a-n_1b和n₂＝n_2a-n_2b；n_1a和n_2a分別為被控對(duì)象G₁₁(s)和G₂₂(s)分母的階次；n_1b和n_2b分別為被控對(duì)象G₁₁(s)和G₂₂(s)分子的階次，通常n₁＞0和n₂＞0。

(3)內(nèi)模控制器C_1IMC(s)和C_2IMC(s)

閉環(huán)控制回路1和回路2的內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)和C_2IMC(s)可分別選取為:

和

從等式(9)和(10)中可以看出：一個(gè)自由度的內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)和C_2IMC(s)中，都只有一個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)λ₁和λ₂；由于λ₁和λ₂參數(shù)的變化與系統(tǒng)的跟蹤性能和抗干擾能力都有著直接的關(guān)系，因此在整定濾波器的可調(diào)節(jié)參數(shù)λ₁和λ₂時(shí)，一般需要在系統(tǒng)的跟蹤性與抗干擾能力兩者之間進(jìn)行折衷。

2)反饋濾波器F₁(s)和F₂(s)的設(shè)計(jì)與選擇：

閉環(huán)控制回路1和回路2的反饋濾波器F₁(s)和F₂(s)，可分別選取比較簡單的一階濾波器F₁(s)＝(λ₁s+1)/(λ_1fs+1)和F₂(s)＝(λ₂s+1)/(λ_2fs+1)，其中：λ₁和λ₂為前饋濾波器f₁(s)和f₂(s)中的時(shí)間常數(shù)，并與其參數(shù)選擇一致；λ_1f和λ_2f為反饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)。

通常情況下，在反饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)λ_1f和λ_2f固定不變的情況下，系統(tǒng)的跟蹤性能會(huì)隨著前饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)λ₁和λ₂的減小而變好；在前饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)λ₁和λ₂固定不變的情況下，系統(tǒng)的跟蹤性幾乎不變，而抗干擾能力則會(huì)隨著λ_1f和λ_2f的減小而變強(qiáng)。

因此，基于二自由度IMC的TITO-NCS，可以通過合理選擇前饋濾波器f₁(s)和f₂(s)與反饋濾波器F₁(s)和F₂(s)的參數(shù)，以提高系統(tǒng)的跟蹤性和抗干擾能力，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，或者預(yù)估模型與其真實(shí)模型可能存在一定偏差的一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TITO-NCS)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與二自由度IMC；其研究思路與方法，同樣也適用于被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型，或者預(yù)估模型與其真實(shí)模型可能存在一定偏差的兩個(gè)以上輸入和輸出所 構(gòu)成的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(MIMO-NCS)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與二自由度IMC。

本發(fā)明的特征在于該方法包括以下步驟：

對(duì)于閉環(huán)控制回路1：

(1).當(dāng)傳感器S1節(jié)點(diǎn)被周期為h₁的采樣信號(hào)觸發(fā)時(shí)，將采用方式A進(jìn)行工作；

(2).當(dāng)控制器C節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y_1b(s)觸發(fā)時(shí)，將采用方式B進(jìn)行工作；

(3).當(dāng)執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)被IMC信號(hào)u₁(s)觸發(fā)時(shí)，將采用方式C進(jìn)行工作；

對(duì)于閉環(huán)控制回路2：

(4).當(dāng)傳感器S2節(jié)點(diǎn)被周期為h₂的采樣信號(hào)觸發(fā)時(shí)，將采用方式D進(jìn)行工作；

(5).當(dāng)控制器C節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y_2b(s)觸發(fā)時(shí)，將采用方式E進(jìn)行工作；

(6).當(dāng)執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)被IMC信號(hào)u₂(s)觸發(fā)時(shí)，將采用方式F進(jìn)行工作；

方式A的步驟包括：

A1：傳感器S1節(jié)點(diǎn)工作于時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，其觸發(fā)信號(hào)為周期h₁的采樣信號(hào)；

A2：傳感器S1節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，對(duì)被控對(duì)象G₁₁(s)的輸出信號(hào)y₁₁(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)的輸出信號(hào)y₁₂(s)，以及執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_11mb(s)和y_12mb(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)輸出信號(hào)y₁(s)和反饋信號(hào)y_1b(s)，且y₁(s)＝y(tǒng)₁₁(s)+y₁₂(s)和y_1b(s)＝y(tǒng)₁(s)-y_11mb(s)-y_12mb(s)；

A3：將反饋信號(hào)y_1b(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y_1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₂后，才能到達(dá)控制器C節(jié)點(diǎn)；

方式B的步驟包括：

B1：控制器C節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_1b(s)所觸發(fā)；

B2：在控制器C節(jié)點(diǎn)中，將反饋信號(hào)y_1b(s)與被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)的輸出y_12ma(s)相加后作用于反饋濾波器F₁(s)得到其輸出值y_F1(s)，即y_F1(s)＝(y_1b(s)+y_12ma(s))F₁(s)；將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號(hào)x₁(s)，減去反饋濾波器F₁(s)的輸出信號(hào)y_F1(s)，得到偏差信號(hào)e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y_F1(s)；

B3：對(duì)e₁(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_1IMC(s)，得到IMC信號(hào)u₁(s)；

B4：將來自于閉環(huán)控制回路2內(nèi)模控制算法C_2IMC(s)的輸出IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出值y_12ma(s)；

B5：將IMC信號(hào)u₁(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)傳輸，u₁(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₁后，才能到達(dá)執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)；

方式C的步驟包括：

C1：執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被IMC信號(hào)u₁(s)所觸發(fā)；

C2：在執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)中，將IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11mb(s)；將來自于閉環(huán)控制回路2執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)的IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出值y_12mb(s)；

C3：將IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)得到其輸出值y₂₁(s)；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象G₁₁(s)和G₂₁(s)的二自由度IMC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與控制；

方式D的步驟包括：

D1：傳感器S2節(jié)點(diǎn)工作于時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，其觸發(fā)信號(hào)為周期h₂的采樣信號(hào)；

D2：傳感器S2節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，對(duì)被控對(duì)象G₂₂(s)的輸出信號(hào)y₂₂(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)的輸出信號(hào)y₂₁(s)，以及執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_22mb(s)和y_21mb(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號(hào)y₂(s)和反饋信號(hào)y_2b(s)，且y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)和y_2b(s)＝y(tǒng)₂(s)-y_22mb(s)-y_21mb(s)；

D3：將反饋信號(hào)y_2b(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y_2b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₄后，才能到達(dá)控制器C節(jié)點(diǎn)；

方式E的步驟包括：

E1：控制器C節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_2b(s)所觸發(fā)；

E2：在控制器C節(jié)點(diǎn)中，將反饋信號(hào)y_2b(s)與被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)輸出y_21ma(s)相加，并將相加的結(jié)果作用于反饋濾波器F₂(s)得到其輸出值y_F2(s)，即y_F2(s)＝(y_2b(s)+y_21ma(s))F₂(s)；將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號(hào)x₂(s)，減去反饋濾波器F₂(s)的輸出信號(hào)y_F2(s)，得到偏差信號(hào)e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y_F2(s)；

E3：對(duì)e₂(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_2IMC(s)，得到IMC信號(hào)u₂(s)；

E4：將來自于閉環(huán)控制回路1內(nèi)?？刂扑惴–_1IMC(s)的輸出IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)得到其輸出值y_21ma(s)；

E5：將IMC信號(hào)u₂(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)傳輸，u₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₃后，才能到達(dá)執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)；

方式F的步驟包括：

F1：執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被IMC信號(hào)u₂(s)所觸發(fā)；

F2：在執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)中，將IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象預(yù)估模型G_22m(s)得到其輸出值y_22mb(s)；將來自于閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)的IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)得到其輸出值y_21mb(s)；

F3：將IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)得到其輸出值y₁₂(s)；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象G₂₂(s)和G₁₂(s)的二自由度IMC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與控制。

本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、從結(jié)構(gòu)上免除對(duì)TITO-NCS中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量、觀測(cè)、估計(jì)或辨識(shí)，免除節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)同步的要求；進(jìn)而避免對(duì)時(shí)延估計(jì)模型不準(zhǔn)確造成的估計(jì)誤差，避免對(duì)時(shí)延辨識(shí)所需耗費(fèi)節(jié)點(diǎn)存貯資源的浪費(fèi)，避免由于時(shí)延造成的“空采樣”或“多采樣”帶來的補(bǔ)償誤差。

2、由于從TITO-NCS結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)與具體的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選擇無關(guān)，因而既適用于采用有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的TITO-NCS，亦適用于采用無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的TITO-NCS；既適用于確定性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，亦適用于非確定性的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；既適用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的TITO-NCS，同時(shí)亦適用于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的TITO-NCS。

3、采用二自由度IMC的TITO-NCS其各閉環(huán)控制回路的可調(diào)參數(shù)為2個(gè)，與一個(gè)自由度IMC的TITO-NCS其各閉環(huán)控制回路的可調(diào)參數(shù)為1個(gè)相比，本發(fā)明方法可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能與抗干擾能力，降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量。

4、由于本發(fā)明采用的是“軟件”改變TITO-NCS結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償與控制方法，因而在其實(shí)現(xiàn)過程中無需再增加任何硬件設(shè)備，利用現(xiàn)有TITO-NCS智能節(jié)點(diǎn)自帶的軟件資源，足以實(shí)現(xiàn)其補(bǔ)償功能，可節(jié)省硬件投資便于推廣和應(yīng)用。

附圖說明

圖1：NCS的典型結(jié)構(gòu)

圖1由傳感器S節(jié)點(diǎn)，控制器C節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行器A節(jié)點(diǎn)，被控對(duì)象，前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元以及反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元所組成。

圖1中：x(s)表示系統(tǒng)輸入信號(hào)；y(s)表示系統(tǒng)輸出信號(hào)；C(s)表示控制器；u(s)表示控制信號(hào)；τ_ca表示將控制信號(hào)u(s)從控制器C節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行器A節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延；τ_sc表示將傳感器S節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)y(s)向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延；G(s)表示被控對(duì)象傳遞函數(shù)。

圖2：MIMO-NCS的典型結(jié)構(gòu)

圖2由r個(gè)傳感器S節(jié)點(diǎn)，控制器C節(jié)點(diǎn)，m個(gè)執(zhí)行器A節(jié)點(diǎn)，被控對(duì)象G，m個(gè)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延單元，以及r個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延單元所組成。

圖2中：y_j(s)表示系統(tǒng)的第j個(gè)輸出信號(hào)；u_i(s)表示第i個(gè)控制信號(hào)；表示將控制信號(hào)u_i(s)從控 制器C節(jié)點(diǎn)向第i個(gè)執(zhí)行器A節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延；表示將第j個(gè)傳感器S節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)y_j(s)向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延；G表示被控對(duì)象傳遞函數(shù)。

圖3：TITO-NCS的典型結(jié)構(gòu)

圖3由閉環(huán)控制回路1和2所構(gòu)成，其系統(tǒng)包含傳感器S1和S2節(jié)點(diǎn)，控制器C節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行器A1和A2節(jié)點(diǎn)，被控對(duì)象傳遞函數(shù)G₁₁(s)和G₂₂(s)以及被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)和G₁₂(s)，前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元和以及反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元和所組成。

圖3中：x₁(s)和x₂(s)表示系統(tǒng)的輸入信號(hào)；y₁(s)和y₂(s)表示系統(tǒng)的輸出信號(hào)；C₁(s)和C₂(s)表示控制回路1和2的控制器；u₁(s)和u₂(s)表示控制信號(hào)；τ₁和τ₃表示將控制信號(hào)u₁(s)和u₂(s)從控制器C節(jié)點(diǎn)向執(zhí)行器A1和A2節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延；τ₂和τ₄表示將傳感器S1和S2節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)y₁(s)和y₂(s)向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延。

圖4：一種包含預(yù)估模型的TITO-NCS時(shí)延補(bǔ)償與控制結(jié)構(gòu)

圖4中：C_1IMC(s)和C_2IMC(s)是控制回路1和2的內(nèi)?？刂破鳎灰约笆蔷W(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延以及 的預(yù)估時(shí)延模型；以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延以及的預(yù)估時(shí)延模型；G_11m(s)和G_22m(s)是被控對(duì)象傳遞函數(shù)G₁₁(s)和G₂₂(s)的預(yù)估模型；G_12m(s)和G_21m(s)是被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)和G₂₁(s)的預(yù)估模型。

圖5：一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延二自由度IMC方法

圖5中：F₁(s)和F₂(s)是反饋濾波器。

具體實(shí)施方式

下面將通過參照附圖5詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)。

具體實(shí)施步驟如下所述：

對(duì)于閉環(huán)控制回路1：

第一步：傳感器S1節(jié)點(diǎn)工作于時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)傳感器S1節(jié)點(diǎn)被周期為h₁的采樣信號(hào)觸發(fā)后，將對(duì)被控對(duì)象G₁₁(s)的輸出信號(hào)y₁₁(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)的輸出信號(hào)y₁₂(s)，以及執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_11mb(s)和y_12mb(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)輸出信號(hào)y₁(s)和反饋信號(hào)y_1b(s)，且y₁(s)＝y(tǒng)₁₁(s)+y₁₂(s)和y_1b(s)＝y(tǒng)₁(s)-y_11mb(s)-y_12mb(s)；

第二步：傳感器S1節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y_1b(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路單元向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y_1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₂后，才能到達(dá)控制器C節(jié)點(diǎn)；

第三步：控制器C節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)控制器C節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y_1b(s)所觸發(fā)后，將反饋信號(hào)y_1b(s)與被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)輸出y_12ma(s)相加，并將相加的結(jié)果作用于反饋濾波器F₁(s)得到其輸出值y_F1(s)，即y_F1(s)＝(y_1b(s)+y_12ma(s))F₁(s)；將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號(hào)x₁(s)，減去反饋濾波器F₁(s)的輸出信號(hào)y_F1(s)，得到偏差信號(hào)e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y_F1(s)；對(duì)e₁(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_1IMC(s)，得到IMC信號(hào)u₁(s)；將來自于閉環(huán)控制回路2內(nèi)?？刂扑惴–_2IMC(s)的輸出IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出值y_12ma(s)；

第四步：控制器C節(jié)點(diǎn)將IMC信號(hào)u₁(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)傳輸，u₁(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₁后，才能到達(dá)執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)；

第五步：執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)被IMC信號(hào)u₁(s)觸發(fā)后，將IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11mb(s)；將來自于閉環(huán)控制回路2的執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)的IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)的預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出值y_12mb(s)；

第六步：將IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì) 象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)得到其輸出值y₂₁(s)；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象G₁₁(s)和G₂₁(s)的二自由度IMC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與控制；

第七步：返回第一步；

對(duì)于閉環(huán)控制回路2：

第一步：傳感器S2節(jié)點(diǎn)工作于時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)傳感器S2節(jié)點(diǎn)被周期為h₂的采樣信號(hào)觸發(fā)后，將對(duì)被控對(duì)象G₂₂(s)的輸出信號(hào)y₂₂(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)的輸出信號(hào)y₂₁(s)，以及執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_22mb(s)和y_21mb(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號(hào)y₂(s)和反饋信號(hào)y_2b(s)，且y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)和y_2b(s)＝y(tǒng)₂(s)-y_22mb(s)-y_21mb(s)；

第二步：傳感器S2節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y_2b(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路單元向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y_2b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₄后，才能到達(dá)控制器C節(jié)點(diǎn)；

第三步：控制器C節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)控制器C節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y_2b(s)所觸發(fā)后，將反饋信號(hào)y_2b(s)與被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)輸出y_21ma(s)相加，并將相加的結(jié)果作用于反饋濾波器F₂(s)得到其輸出值y_F2(s)，即y_F2(s)＝(y_2b(s)+y_21ma(s))F₂(s)；將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號(hào)x₂(s)，減去反饋濾波器F₂(s)的輸出信號(hào)y_F2(s)，得到偏差信號(hào)e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y_F2(s)；對(duì)e₂(s)實(shí)施內(nèi)模控制算法C_2IMC(s)，得到IMC信號(hào)u₂(s)；將來自于閉環(huán)控制回路1內(nèi)模控制算法C_1IMC(s)的輸出IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)得到其輸出值y_21ma(s)；

第四步：控制器C節(jié)點(diǎn)將IMC信號(hào)u₂(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)傳輸，u₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₃后，才能到達(dá)執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)；

第五步：執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)被IMC信號(hào)u₂(s)觸發(fā)后，將IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象預(yù)估模型G_22m(s)得到其輸出值y_22mb(s)；將來自于閉環(huán)控制回路1的執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)的IMC信號(hào)u₁(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)得到其輸出值y_21mb(s)；

第六步：將IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將IMC信號(hào)u₂(s)作用于被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)得到其輸出值y₁₂(s)；從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象G₂₂(s)和G₁₂(s)的二自由度IMC，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與控制；

第七步：返回第一步；

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而己，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。