本發(fā)明涉及自動控制技術，網絡通信技術和計算機技術的交叉領域，尤其涉及帶寬資源有限的多輸入多輸出網絡解耦控制系統(tǒng)技術領域。

背景技術：

在分布式控制系統(tǒng)中，傳感器與控制器，控制器與執(zhí)行器之間，通過實時通信網絡構成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，稱為網絡控制系統(tǒng)(Networked control systems，NCS)，NCS的典型結構如圖1所示。

NCS與傳統(tǒng)的點對點結構的控制系統(tǒng)相比，可實現(xiàn)資源共享，遠程操作與控制，具有極高的診斷能力，安裝與維護簡便，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性等諸多優(yōu)點。遠程遙操作、遙醫(yī)學、遠程教學、無線網絡機器人、某些兵器系統(tǒng)以及新興的以現(xiàn)場總線及工業(yè)以太網為基礎的控制系統(tǒng)均屬于NCS的范疇，此外，NCS在航空航天領域，以及復雜、危險的工業(yè)控制領域也有廣闊的應用，對其研究已成為國際學術界的一個熱點課題。

在NCS中，由于網絡時延、數(shù)據(jù)丟包以及網絡擁塞等現(xiàn)象的存在，使得NCS面臨諸多新的挑戰(zhàn)。當NCS的傳感器、控制器和執(zhí)行器之間通過網絡交換數(shù)據(jù)時，必然會導致網絡時延，從而會降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。由于網絡中的信息源很多，傳輸數(shù)據(jù)流經眾多計算機和通信設備且路徑非唯一；或由于網絡帶寬的限制以及傳輸機制的影響，網絡擁塞或連接中斷等原因，導致網絡數(shù)據(jù)包的時序錯亂和數(shù)據(jù)包的丟失。雖然時延系統(tǒng)的分析和建模近年來已取得很大進展，但NCS中可能存在多種不同性質的時延(常數(shù)、有界、隨機、時變等)，使得現(xiàn)有的方法一般不能直接應用。傳統(tǒng)的控制理論在對系統(tǒng)進行分析和設計時，往往做了很多理想化的假定，如單率采樣、同步控制、無時延傳輸和調節(jié)。然而在NCS中，由于控制回路存在網絡，上述假設通常是不成立的，因此傳統(tǒng)控制理論都要重新評估才能應用到NCS中。

目前，國內外關于NCS的研究，主要是針對單輸入單輸出(Single-input and single-output，SISO)網絡控制系統(tǒng)，分別在網絡時延已知、未知或隨機，網絡時延小于一個采樣周期或大于一個采樣周期，單包傳輸或多包傳輸，有無數(shù)據(jù)包丟失等情況下，對其進行數(shù)學建?；蚍€(wěn)定性分析與控制。但針對實際工業(yè)過程中，普遍存在的至少包含兩個輸入輸出(Two-input and two-output，TITO)的控制系統(tǒng)，所構成的多輸入多輸出(Multiple-input and multiple-output，MIMO)網絡控制系統(tǒng)的研究則相對較少，尤其是針對輸入與輸出信號之間，存在耦合作用需要通過解耦處理的多輸入多輸出網絡解耦控制系統(tǒng)(Networked decoupling control systems，NDCS)時延補償與控制的研究成果則相對更少。

MIMO-NDCS的典型結構如圖2所示。

與SISO-NCS相比，MIMO-NDCS具有以下特點：

(1)輸入信號與輸出信號之間彼此影響并存在耦合作用

在存在耦合作用的MIMO-NCS中，一個輸入信號的變化將會使多個輸出信號發(fā)生變化，而各個輸出信號也不只受到一個輸入信號的影響。即使輸入與輸出信號之間經過精心選擇配對，各控制回路之間也難免存在著相互影響，因而要使輸出信號獨立地跟蹤各自的輸入信號是有困難的。MIMO-NDCS中的解耦器，用于解除或降低多輸入多輸出信號之間的耦合作用。

(2)內部結構比SISO-NCS和MIMO-NCS要復雜得多

(3)被控對象可能存在不確定性因素

在MIMO-NDCS中，涉及的參數(shù)較多，各控制回路間的聯(lián)系較多，參數(shù)變動對整體控制效果的影響會變得很復雜。

(4)控制部件失效

在MIMO-NDCS中，至少包含有兩個或兩個以上的閉環(huán)控制回路，至少包含有兩個或兩個以上的傳感器和執(zhí)行器。每一個元件的失效都可能影響整個控制系統(tǒng)的性能，嚴重時會使控制系統(tǒng)不穩(wěn)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進行設計與控制的方法，已無法滿足MIMO-NDCS的控制性能與控制質量的要求，使其不能或不能直接應用于MIMO-NDCS的設計與分析中，給MIMO-NDCS的控制與設計帶來了一定的困難。

對于MIMO-NDCS，網絡時延補償與控制的難點主要在于：

(1)由于網絡時延與網絡拓撲結構、通信協(xié)議、網絡負載、網絡帶寬和數(shù)據(jù)包大小等因素有關，對大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期的時變網絡時延，要建立MIMO-NDCS中各個控制回路的時變網絡時延準確的預測、估計或辨識的數(shù)學模型，目前幾乎是不可能的。

(2)發(fā)生在MIMO-NDCS中，前一個節(jié)點向后一個節(jié)點傳輸網絡數(shù)據(jù)過程中的網絡時延，在前一個節(jié)點中無論采用何種預測或估計方法，都不可能事先提前知道其后產生的網絡時延的準確值。時延導致系統(tǒng)性能下降甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時也給控制系統(tǒng)的分析與設計帶來困難。

(3)要滿足MIMO-NDCS中，不同分布地點的所有節(jié)點時鐘信號完全同步是不現(xiàn)實的。

(4)由于MIMO-NCS中，輸入與輸出之間彼此影響，并存在耦合作用，其MIMO-NDCS的內部結構要比MIMO-NCS和SISO-NCS復雜，可能存在的不確定性因素較多，對MIMO-NDCS實施時延補償與控制要比MIMO-NCS和SISO-NCS困難得多。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及MIMO-NDCS中的一種兩輸入兩輸出網絡解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)時變網絡時延的補償與控制，其TITO-NDCS的典型結構如圖3所示。

針對圖3中的閉環(huán)控制回路1：

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

式中：C₁(s)是控制器；G₁₁(s)是被控對象；τ₁表示將控制器C節(jié)點的輸出信號u₁(s)，經前向網絡通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器DA1節(jié)點所經歷的時變網絡時延；τ₂表示將傳感器S1節(jié)點的輸出信號y₁(s)，經反饋網絡通路傳輸?shù)娇刂破鰿節(jié)點所經歷的時變網絡時延。

2)來自閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點的解耦控制信號u_p2(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)P₁₂(s)和被控對象交叉通路傳遞函數(shù)G₁₂(s)作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號u_p2(s)到輸出信號y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(1)至(2)的分母中，包含了時變網絡時延τ₁和τ₂的指數(shù)項 和時延的存在將惡化控制系統(tǒng)的性能質量，甚至導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

針對圖3中的閉環(huán)控制回路2：

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

式中：C₂(s)是控制器，G₂₂(s)是被控對象；τ₃表示將控制器C節(jié)點的控制輸出信號u₂(s)，經前向網絡通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器DA2節(jié)點所經歷的時變網絡時延；τ₄表示將傳感器S2節(jié)點的輸出信號y₂(s)，經反饋網絡通路傳輸?shù)娇刂破鰿節(jié)點所經歷的時變網絡時延。

2)來自閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點的解耦控制信號u_p1(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)P₂₁(s)和被控對象交叉通路傳遞函數(shù)G₂₁(s)作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號u_p1(s)到輸出信號y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(3)至(4)的分母中，包含了時變網絡時延τ₃和τ₄的指數(shù)項 和時延的存在將惡化控制系統(tǒng)的性能質量，甚至導致系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

發(fā)明目的：

針對圖3的TITO-NDCS，其閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(1)至(2)的分母中，均包含了時變網絡時延τ₁和τ₂的指數(shù)項和以及閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(3)至(4)的分母中，均包含了時變網絡時延τ₃和τ₄的指數(shù)項和時延的存在會降低各自閉環(huán)控制回路的控制性能質量并影響各自閉環(huán)控制回路的穩(wěn)定性，同時也將降低整個系統(tǒng)的控制性能質量并影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴重時將導致整個系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

為此，本發(fā)明提出一種免除對各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點之間時變網絡時延τ₁和τ₂，τ₃和τ₄的測量、估計或辨識的時延補償方法。當預估模型等于其真實模型時，可實現(xiàn)各自閉環(huán)控制回路的特征方程中不包含網絡時延的指數(shù)項，進而可降低網絡時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質量，實現(xiàn)對TITO-NDCS時變網絡時延的分段、實時、在線和動態(tài)的預估補償與控制。

采用方法：

針對圖3中的閉環(huán)控制回路1：

第一步：為了實現(xiàn)滿足預估補償條件時，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)特征方程中不再包含網絡時延的指數(shù)項，以實現(xiàn)對網絡時延τ₁和τ₂的補償與控制，采用以控制信號u₁(s)作為輸入信號，被控對象預估模型G_11m(s)作為被控過程，控制與過程數(shù)據(jù)通過網絡傳輸時延預估模型以及在控制器C節(jié)點中圍繞控制器C₁(s)，構造一個正反饋預估控制回路和一個負反饋預估控制回路，實施本步驟的結構如圖4所示；

第二步：針對實際TITO-NDCS中，難以獲取網絡時延準確值的問題，在圖4中要實現(xiàn)對網絡時延的補償與控制，除了要滿足被控對象預估模型等于其真實模型的條件外，還必須滿足時變網絡時延預估模型 以及要等于其真實模型以及的條件。為此，從傳感器S1節(jié)點到控制器C節(jié)點之間，以及從控制器C節(jié)點到解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點之間，采用真實的網絡數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網絡時延預估補償模型以及因而無論被控對象的預估模型是否等于其真實模型，都可以從系統(tǒng)結構上實現(xiàn)不包含其間網絡時延的預估補償模型，從而免除對閉環(huán)控制回路1中，節(jié)點之間時變網絡時延τ₁和τ₂的測量、估計或辨識；當預估模型等于其真實模型時，可實現(xiàn)對其時變網絡時延τ₁和τ₂的補償與控制；實施本發(fā)明方法的網絡時延補償與控制結構如圖5以及如圖6所示；

針對圖3中的閉環(huán)控制回路2：

第一步：為了實現(xiàn)滿足預估補償條件時，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)特征方程不再包含網絡時延指數(shù)項，以實現(xiàn)對網絡時延τ₃和τ₄的補償與控制，圍繞被控對象G₂₂(s)，以閉環(huán)控制回路2輸出y₂(s)作為輸入信號，將y₂(s)通過預估控制器C_2m(s)構造一個負反饋預估控制回路；將y₂(s)通過網絡傳輸時延預估模型和預估控制器C_2m(s)以及網絡傳輸時延預估模型構造一個正反饋預估控制回路，實施本步驟的結構如圖4所示；

第二步：針對實際TITO-NDCS中，難以獲取網絡時延準確值的問題，在圖4中要實現(xiàn)對網絡時延的補償與控制，必須滿足網絡時延預估模型和要等于其真實模型和的條件，以及滿足預估控制器C_2m(s)等于其真實控制器C₂(s)的條件(由于控制器C₂(s)是人為設計與選擇，自然滿足C_2m(s)＝C₂(s))。為此，從傳感器S2節(jié)點到控制器C節(jié)點之間，以及從控制器C節(jié)點到解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點之間，采用真實的網絡數(shù)據(jù)傳輸過程和代替其間網絡時延的預估補償模型和得到圖5所示的網絡時延補償與控制結構；

第三步：將圖5中控制器C₂(s)，按傳遞函數(shù)等價變換規(guī)則進一步化簡，得到圖6所示的實施本發(fā)明方法的網絡時延補償與控制結構；從結構上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網絡時延的預估補償模型，從而免除對閉環(huán)控制回路2中，節(jié)點之間網絡時延τ₃和τ₄的測量、估計或辨識，可實現(xiàn)對時變網絡時延τ₃和τ₄的補償與控制；實施本發(fā)明方法的網絡時延補償與控制結構如圖6所示。

在此需要特別說明的是，在圖6的控制器C節(jié)點中，出現(xiàn)了閉環(huán)控制回路2的給定信號x₂(s)，與其反饋信號y₂(s)實施先“減”后“加”，或先“加”后“減”的運算規(guī)則，即y₂(s)信號同時經過正反饋和負反饋連接到控制器C節(jié)點中：

(1)這是由于將圖5中的控制器C₂(s)，按照傳遞函數(shù)等價變換規(guī)則進一步化簡得到圖6所示的結果，并非人為設置；

(2)由于NCS的節(jié)點幾乎都是智能節(jié)點，不僅具有通信與運算功能，而且還具有存儲與控制等功能，在節(jié)點中對同一個信號進行先“減”后“加”，或先“加”后“減”，這在運算法則上不會有什么不符合規(guī)則之處；

(3)在節(jié)點中對同一個信號進行“加”與“減”運算其結果值為“零”，這個“零”值，并不表明在該節(jié)點中信號y₂(s)就不存在，或沒有得到y(tǒng)₂(s)信號，或信號沒有被貯存；或因“相互抵消”導致“零”信號值就變成不存在，或沒有意義；

(4)控制器C節(jié)點的觸發(fā)就來自于信號y₂(s)的驅動，如果控制器C節(jié)點沒有接收到來自反饋網絡通路傳輸過來的信號y₂(s)，則處于事件驅動工作方式的控制器C節(jié)點將不會被觸發(fā)。

對于圖6中的閉環(huán)控制回路1：

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

式中：G_11m(s)是被控對象G₁₁(s)的預估模型，C₁(s)是控制器。

2)來自于閉環(huán)控制回路2中解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點的信號u_2p(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)作用于閉環(huán)控制回路1；與此同時，信號u_2p(s)通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)作用于閉環(huán)控制回路1；從輸入信號u_2p(s)到輸出信號y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，當被控對象預估模型等于其真實模型，即當G_11m(s)＝G₁₁(s)時，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)特征方程將由變成1+C₁(s)G₁₁(s)＝0，其閉環(huán)特征方程中不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的網絡時延τ₁和τ₂的指數(shù)項和從而可降低網絡時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動態(tài)控制性能質量，實現(xiàn)對時變網絡時延的動態(tài)補償與控制。

對于圖6中的閉環(huán)控制回路2：

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

式中：C₂(s)是控制器。

2)來自于閉環(huán)控制回路1中解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點的信號u_1p(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)作用于閉環(huán)控制回路2；與此同時，信號u_1p(s)通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)作用于閉環(huán)控制回路2；從輸入信號u_1p(s)到輸出信號y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，傳遞函數(shù)等式(7)和(8)的分母為1+C₂(s)G₂₂(s)，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)特征方程為1+C₂(s)G₂₂(s)＝0，閉環(huán)特征方程中不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的網絡時延τ₃和τ₄的指數(shù)項和從而可降低網絡時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，改善系統(tǒng)動態(tài)控制性能質量，實現(xiàn)對時變網絡時延動態(tài)補償與控制。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于控制回路1中被控對象預估模型等于其真實模型，以及控制回路2中被控對象預估模型已知或不確知的一種雙輸入雙輸出網絡解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)時變網絡時延的補償與控制；其研究思路與方法，同樣也適用于控制回路中被控對象預估模型等于其真實模型時采用本發(fā)明控制回路1方法，以及控制回路中被控對象預估模型已知或不確知時采用本發(fā)明控制回路2方法，所構成的多輸入多輸出網絡解耦控制系統(tǒng)(MIMO-NDCS)時變網絡時延的補償與控制。

本發(fā)明的特征在于該方法包括以下步驟：

對于閉環(huán)控制回路1：

(1).當傳感器S1節(jié)點被周期為h₁的采樣信號觸發(fā)時，將采用方式A進行工作；

(2).當控制器C節(jié)點被反饋信號y_1b(s)觸發(fā)時，將采用方式B進行工作；

(3).當解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點被控制信號u₁(s)觸發(fā)時，將采用方式C進行工作；

對于閉環(huán)控制回路2：

(4).當傳感器S2節(jié)點被周期為h₂的采樣信號觸發(fā)時，將采用方式D進行工作；

(5).當控制器C節(jié)點被反饋信號y₂(s)觸發(fā)時，將采用方式E進行工作；

(6).當解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點被信號e₂(s)觸發(fā)時，將采用方式F進行工作；

方式A的步驟包括：

A1：傳感器S1節(jié)點工作于時間驅動方式，其觸發(fā)信號為周期h₁的采樣信號；

A2：傳感器S1節(jié)點被觸發(fā)后，對被控對象G₁₁(s)的輸出信號y₁₁(s)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)的輸出信號y₁₂(s)，以及解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點的輸出信號y_11mb(s)進行采樣，并計算出閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)輸出信號y₁(s)和反饋信號y_1b(s)，且y₁(s)＝y(tǒng)₁₁(s)+y₁₂(s)和y_1b(s)＝y(tǒng)₁(s)-y_11mb(s)；

A3：將反饋信號y_1b(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網絡通路向控制器C節(jié)點傳輸，反饋信號y_1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ₂后，才能到達控制器C節(jié)點；

方式B的步驟包括：

B1：控制器C節(jié)點工作于事件驅動方式，被反饋信號y_1b(s)所觸發(fā)；

B2：在控制器C節(jié)點中，將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號x₁(s)，減去反饋信號y_1b(s)和被控對象預估模型G_11m(s)的輸出值y_11ma(s)，得到偏差信號e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y_1b(s)-y_11ma(s)；

B3：對e₁(s)實施控制算法C₁(s)，得到控制信號u₁(s)；

B4：將控制信號u₁(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網絡通路單元向解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點傳輸，u₁(s)將經歷網絡傳輸時延τ₁后，才能到達解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點；

方式C的步驟包括：

C1：解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點工作于事件驅動方式，被控制信號u₁(s)所觸發(fā)；

C2：在解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點中，將控制信號u₁(s)作用于被控對象預估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11mb(s)；將來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點的信號u_2p(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出值y_p12(s)；將控制信號u₁(s)與y_p12(s)相減得解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點輸出信號u_1p(s)，即u_1p(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

C3：將信號u_1p(s)作用于被控對象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將信號u_1p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)得到其輸出值y₂₁(s)；從而實現(xiàn)對被控對象G₁₁(s)和G₂₁(s)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對時變網絡時延τ₁和τ₂的補償與控制；

方式D的步驟包括：

D1：傳感器S2節(jié)點工作于時間驅動方式，其觸發(fā)信號為周期h₂的采樣信號；

D2：傳感器S2節(jié)點被觸發(fā)后，對被控對象G₂₂(s)的輸出信號y₂₂(s)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)的輸出信號y₂₁(s)進行采樣，并計算出閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號y₂(s)，且y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)；

D3：將反饋信號y₂(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網絡通路向控制器C節(jié)點傳輸，反饋信號y₂(s)將經歷網絡傳輸時延τ₄后，才能到達控制器C節(jié)點；

方式E的步驟包括：

E1：控制器C節(jié)點工作于事件驅動方式，被反饋信號y₂(s)所觸發(fā)；

E2：在控制器C節(jié)點中，將閉環(huán)控制回路2系統(tǒng)給定信號x₂(s)，與反饋信號y₂(s)相加并相減后，得到信號e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)+y₂(s)-y₂(s)＝x₂(s)；

E3：將信號e₂(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網絡通路單元向解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點傳輸，e₂(s)將經歷網絡傳輸時延τ₃后，才能到達解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點；

方式F的步驟包括：

F1：解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點工作于事件驅動方式，被信號e₂(s)所觸發(fā)；

F2：在解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點中，將信號e₂(s)與反饋信號y₂(s)相減得到信號e₃(s)，即e₃(s)＝e₂(s)-y₂(s)；對e₃(s)實施控制算法C₂(s)，得到控制信號u₂(s)；

F3：將控制信號u₂(s)與來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點的輸出信號u_1p(s)通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)的輸出信號y_p21(s)相減得到信號u_2p(s)，即u_2p(s)＝u₂(s)-y_p21(s)；

F4：將信號u_2p(s)作用于被控對象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號u_2p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)得到其輸出值y₁₂(s)；從而實現(xiàn)對被控對象G₂₂(s)和G₁₂(s)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對時變網絡時延τ₃和τ₄的補償與控制。

本發(fā)明具有如下特點：

1、由于從結構上免除對TITO-NDCS中，時變網絡時延的測量、觀測、估計或辨識，同時還可免除節(jié)點時鐘信號同步的要求，可避免時延估計模型不準確造成的估計誤差，避免對時延辨識所需耗費節(jié)點存貯資源的浪費，同時還可避免由于時延造成的“空采樣”或“多采樣”帶來的補償誤差。

2、由于從TITO-NDCS結構上實現(xiàn)與具體的網絡通信協(xié)議的選擇無關，因而既適用于采用有線網絡協(xié)議的TITO-NDCS，亦適用于采用無線網絡協(xié)議的TITO-NDCS；既適用于確定性網絡協(xié)議，亦適用于非確定性的網絡協(xié)議；既適用于異構網絡構成的TITO-NDCS，同時亦適用于異質網絡構成的TITO-NDCS。

3、由于從TITO-NDCS結構上，實現(xiàn)與具體控制器的控制策略的選擇無關，因而既可用于采用常規(guī)控制的TITO-NDCS，亦可用于采用智能控制或采用復雜控制策略的TITO-NDCS。

4、由于本發(fā)明采用的是“軟件”改變TITO-NDCS結構的補償與控制方法，因而在其實現(xiàn)過程中無需再增加任何硬件設備，利用現(xiàn)有TITO-NDCS智能節(jié)點自帶的軟件資源，足以實現(xiàn)其補償與控制功能，可節(jié)省硬件投資便于推廣和應用。

附圖說明

圖1：NCS的典型結構

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

圖1中：x(s)表示系統(tǒng)輸入信號；y(s)表示系統(tǒng)輸出信號；C(s)表示控制器；u(s)表示控制信號；τ_ca表示將控制信號u(s)從控制器C節(jié)點向執(zhí)行器A節(jié)點傳輸所經歷的前向網絡通路傳輸時延；τ_sc表示將傳感器S節(jié)點的檢測信號y(s)向控制器C節(jié)點傳輸所經歷的反饋網絡通路傳輸時延；G(s)表示被控對象傳遞函數(shù)。

圖2：MIMO-NDCS的典型結構

圖2由r個傳感器S節(jié)點，控制器C節(jié)點，m個解耦執(zhí)行器DA節(jié)點，被控對象G，m個前向網絡通路傳輸時延單元，以及r個反饋網絡通路傳輸時延單元所組成。

圖2中：y_j(s)表示系統(tǒng)的第j個輸出信號；u_i(s)表示第i個控制信號；表示將控制信號u_i(s)從控制器C節(jié)點向第i個解耦執(zhí)行器DA節(jié)點傳輸所經歷的前向網絡通路傳輸時延；表示將第j個傳感器S節(jié)點的檢測信號y_j(s)向控制器C節(jié)點傳輸所經歷的反饋網絡通路傳輸時延；G表示被控對象傳遞函數(shù)。

圖3：TITO-NDCS的典型結構

圖3由閉環(huán)控制回路1和2所構成，其系統(tǒng)包含傳感器S1和S2節(jié)點，控制器C節(jié)點，解耦執(zhí)行器DA1和A2節(jié)點，被控對象傳遞函數(shù)G₁₁(s)和G₂₂(s)以及被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)和G₁₂(s)，交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)和P₁₂(s)，前向網絡通路傳輸單元和以及反饋網絡通路傳輸單元和 所組成。

圖3中：x₁(s)和x₂(s)表示系統(tǒng)的輸入信號；y₁(s)和y₂(s)表示系統(tǒng)的輸出信號；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；τ₁和τ₃表示將控制信號u₁(s)和u₂(s)從控制器C節(jié)點向解耦執(zhí)行器DA1和A2節(jié)點傳輸所經歷的前向網絡通路傳輸時延；τ₂和τ₄表示將傳感器S1和S2節(jié)點的檢測信號y₁(s)和y₂(s)向控制器C節(jié)點傳輸所經歷的反饋網絡通路傳輸時延。

圖4：一種包含預估模型的TITO-NDCS時延補償與控制結構

圖4中：C_2m(s)是控制回路2控制器C₂(s)的預估控制器模型；以及是網絡傳輸時延以及的預估時延模型；以及是網絡傳輸時延以及的預估時延模型；G_11m(s)是被控對象傳遞函數(shù)G₁₁(s)的預估模型；

圖5：用真實模型代替預估模型的時延補償與控制結構

圖6：一種兩輸入輸出網絡解耦控制系統(tǒng)時變網絡時延補償方法

具體實施方式

下面將通過參照附圖6詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，使本領域的普通技術人員更清楚本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點。

具體實施步驟如下所述：

對于閉環(huán)控制回路1：

第一步：傳感器S1節(jié)點工作于時間驅動方式，當傳感器S1節(jié)點被周期為h₁的采樣信號觸發(fā)后，將對被控對象G₁₁(s)的輸出信號y₁₁(s)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)的輸出信號y₁₂(s)，以及解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點的輸出信號y_11mb(s)進行采樣，并計算出閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)輸出信號y₁(s)和反饋信號y_1b(s)，且y₁(s)＝y(tǒng)₁₁(s)+y₁₂(s)和y_1b(s)＝y(tǒng)₁(s)-y_11mb(s)；

第二步：傳感器S1節(jié)點將反饋信號y_1b(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網絡通路向控制器C節(jié)點傳輸，反饋信號y_1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ₂后，才能到達控制器C節(jié)點；

第三步：控制器C節(jié)點工作于事件驅動方式，被反饋信號y_1b(s)所觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號x₁(s)，減去反饋信號y_1b(s)和被控對象預估模型G_11m(s)的輸出值y_11ma(s)，得到偏差信號e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y_1b(s)-y_11ma(s)；對e₁(s)實施控制算法C₁(s)，得到控制信號u₁(s)；

第四步：將控制信號u₁(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網絡通路單元向解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點傳輸，u₁(s)將經歷網絡傳輸時延τ₁后，才能到達解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點；

第五步：解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點工作于事件驅動方式，被控制信號u₁(s)所觸發(fā)后，將控制信號u₁(s)作用于被控對象預估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11mb(s)；將來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點的信號u_2p(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出值y_p12(s)；將控制信號u₁(s)與y_p12(s)相減得解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點輸出信號u_1p(s)，即u_1p(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

第六步：將信號u_1p(s)作用于被控對象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將信號u_1p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)得到其輸出值y₂₁(s)；從而實現(xiàn)對被控對象G₁₁(s)和G₂₁(s)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對時變網絡時延τ₁和τ₂的補償與控制；

第七步：返回第一步；

對于閉環(huán)控制回路2：

第一步：傳感器S2節(jié)點工作于時間驅動方式，當傳感器S2節(jié)點被周期為h₂的采樣信號觸發(fā)后，將對被控對象G₂₂(s)的輸出信號y₂₂(s)和被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)的輸出信號y₂₁(s)進行采樣，并計算出閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號y₂(s)，且y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)；

第二步：傳感器S2節(jié)點將反饋信號y₂(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網絡通路向控制器C節(jié)點傳輸，反饋信號y₂(s)將經歷網絡傳輸時延τ₄后，才能到達控制器C節(jié)點；

第三步：控制器C節(jié)點工作于事件驅動方式，被反饋信號y₂(s)所觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路2系統(tǒng)給定信號x₂(s)，與反饋信號y₂(s)相加并相減后得到信號e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)+y₂(s)-y₂(s)＝x₂(s)；

第四步：將信號e₂(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網絡通路單元向解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點傳輸，e₂(s)將經歷網絡傳輸時延τ₃后，才能到達解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點；

第五步：解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點工作于事件驅動方式，被信號e₂(s)所觸發(fā)后，將信號e₂(s)與反饋信號y₂(s)相減得到信號e₃(s)，即e₃(s)＝e₂(s)-y₂(s)；對e₃(s)實施控制算法C₂(s)，得到控制信號u₂(s)；將控制信號u₂(s)與來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點的輸出信號u_1p(s)通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)的輸出信號y_p21(s)相減得到信號u_2p(s)，即u_2p(s)＝u₂(s)-y_p21(s)；

第六步：將信號u_2p(s)作用于被控對象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號u_2p(s)作用于被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)得到其輸出值y₁₂(s)；從而實現(xiàn)對被控對象G₂₂(s)和G₁₂(s)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對時變網絡時延τ₃和τ₄的補償與控制；

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，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。

本說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。