一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的IMC(Internal Model Control，IMC)方法，涉及自動(dòng)控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)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)解耦控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

通過(guò)實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked control systems，NCS)。NCS是集通信網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)于一體的分布式控制系統(tǒng)，同時(shí)具備信號(hào)處理、優(yōu)化決策和控制操作的功能，NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接控制系統(tǒng)相比，NCS的最大特點(diǎn)是系統(tǒng)中的傳感器、控制器和執(zhí)行器并不是直接的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，而是通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)和控制信息，打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在空間位置上的限制，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的系統(tǒng)控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低系統(tǒng)的布線復(fù)雜度及運(yùn)作管理成本，提高控制系統(tǒng)的信息集成，增強(qiáng)系統(tǒng)的柔性和可靠性。

NCS憑借其交互性強(qiáng)、布線少、擴(kuò)展和維護(hù)方便以及能夠?qū)崿F(xiàn)資源共享等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、設(shè)備制造、智能交通、過(guò)程控制及經(jīng)濟(jì)管理等領(lǐng)域。

但是，在反饋控制回路中加入通信網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，也增加了控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包以及網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象的存在，使得NCS面臨諸多新的挑戰(zhàn)。尤其是大網(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(guó)內(nèi)外關(guān)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)延已知、未知或不確定，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(wú)數(shù)據(jù)包丟失等情況下，對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建?；蚍€(wěn)定性分析與控制。但針對(duì)實(shí)際工業(yè)過(guò)程中，普遍存在的至少包含二個(gè)輸入與二個(gè)輸出(Two-input and two-output，TITO)的控制系統(tǒng)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)輸入與輸出信號(hào)之間，存在耦合作用需要通過(guò)解耦處理的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(Networked decoupling control systems，NDCS)時(shí)延補(bǔ)償?shù)难芯砍晒麆t相對(duì)更少。

MIMO-NDCS的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

與SISO-NCS相比，MIMO-NDCS具有以下特點(diǎn)：

(1)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間彼此影響并存在耦合作用

在存在耦合作用的MIMO-NCS中，一個(gè)輸入信號(hào)的變化將會(huì)使多個(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(guò)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。MIMO-NDCS中的解耦器，用于解除或降低多輸入多輸出信號(hào)之間的耦合作用。

(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比SISO-NCS要復(fù)雜得多

(3)被控對(duì)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(dòng)對(duì)整體控制效果的影響會(huì)變得很復(fù)雜。

(4)控制部件失效

在MIMO-NDCS中，至少包含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的閉環(huán)控制回路，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，嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(jìn)行設(shè)計(jì)與控制的方法，已無(wú)法滿(mǎn)足MIMO-NDCS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-NDCS的設(shè)計(jì)與分析中，給MIMO-NDCS的控制與設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。

對(duì)于MIMO-NDCS，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-NDCS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，目前幾乎是不可能的。

(2)發(fā)生在MIMO-NDCS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(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，在前一個(gè)節(jié)點(diǎn)中無(wú)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(lái)困難。

(3)要滿(mǎn)足MIMO-NDCS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，輸入與輸出之間彼此影響，并存在耦合作用，其MIMO-NDCS的內(nèi)部結(jié)構(gòu)要比MIMO-NCS和SISO-NCS復(fù)雜，可能存在的不確定性因素較多，對(duì)其實(shí)施時(shí)延補(bǔ)償與控制要比MIMO-NCS和SISO-NCS困難得多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及MIMO-NDCS中的一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)大時(shí)延的補(bǔ)償與控制，其TITO-NDCS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)是控制單元，G₁₁(s)是被控對(duì)象；τ₁表示將控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)u_1a(s)，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)娇刂平怦钇鰿D1節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

2)來(lái)自閉環(huán)控制回路2控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)的信號(hào)u_2a(s)，通過(guò)交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)和網(wǎng)絡(luò)通路單元作用于閉環(huán)控制回路1；以及來(lái)自閉環(huán)控制回路2執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_2a(s)，通過(guò)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)u_2a(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，包含了大網(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)是控制單元，G₂₂(s)是被控對(duì)象；τ₃表示將控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)u_2a(s)，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)娇刂平怦钇鰿D2節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。

2)來(lái)自閉環(huán)控制回路1控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)的信號(hào)u_1a(s)，通過(guò)交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)和網(wǎng)絡(luò)通路單元作用于閉環(huán)控制回路2；以及來(lái)自閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_1a(s)，通過(guò)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)u_1a(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，包含了大網(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-NDCS，其閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)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的閉環(huán)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。

為此，針對(duì)閉環(huán)控制回路1，提出一種基于二自由度IMC(Internal Model Control，IMC)的時(shí)延補(bǔ)償方法；針對(duì)閉環(huán)控制回路2，提出一種基于一自由度IMC(Internal Model Control，IMC)的時(shí)延補(bǔ)償方法構(gòu)成兩閉環(huán)控制回路網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制，用于免除對(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)控制回路以及對(duì)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)整個(gè)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-NDCS大網(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。

采用方法：

針對(duì)圖3中的閉環(huán)控制回路1：

第一步：在控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)中，構(gòu)建一個(gè)內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)取代控制器C₁(s)；為了實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)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，以控制解耦輸出信號(hào)u_1a(s)和網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p12(s)作為輸入信號(hào)，被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)作為被控過(guò)程，控制與過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)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)負(fù)反饋預(yù)估控制回路和一個(gè)正反饋預(yù)估控制回路，如圖4所示；

第二步：針對(duì)實(shí)際TITO-NDCS中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)延準(zhǔn)確值的問(wèn)題，在圖4中要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制，除了要滿(mǎn)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(mǎn)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)到控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制解耦器CD1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(guò)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(wú)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)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與控制；與此同時(shí)，在控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)的反饋回路中，增加反饋濾波器F₁(s)；實(shí)施本發(fā)明方法的大網(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：在控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)中，構(gòu)建一個(gè)內(nèi)?？刂破鰿_2IMC(s)取代控制器C₂(s)；為了實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足預(yù)估補(bǔ)償條件時(shí)，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)特征方程不再包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)延指數(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，圍繞被控對(duì)象G₂₂(s)，以閉環(huán)控制回路2輸出y₂(s)作為輸入信號(hào)，將y₂(s)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延預(yù)估模型和預(yù)估內(nèi)模控制器C_2mIMC(s)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延預(yù)估模型構(gòu)造一個(gè)正反饋預(yù)估控制回路；實(shí)施本步驟的結(jié)構(gòu)如圖4所示；

第二步：針對(duì)實(shí)際TITO-NDCS中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時(shí)延準(zhǔn)確值的問(wèn)題，在圖4中要實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制，必須滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延預(yù)估模型和要等于其真實(shí)模型和的條件，以及滿(mǎn)足預(yù)估內(nèi)?？刂破鰿_2mIMC(s)等于其內(nèi)模控制器C_2IMC(s)的條件(由于內(nèi)?？刂破鰿_2IMC(s)是人為設(shè)計(jì)與選擇，自然滿(mǎn)足C_2mIMC(s)＝C_2IMC(s))。為此，從傳感器S2節(jié)點(diǎn)到控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制解耦器CD2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(guò)程和代替其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的預(yù)估補(bǔ)償模型和得到圖5所示的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償與控制結(jié)構(gòu)；從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延預(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)；可實(shí)現(xiàn)對(duì)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與一自由度IMC。

針對(duì)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)?？刂破?；F₁(s)是反饋濾波器。

2)來(lái)自閉環(huán)控制回路2控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)信號(hào)u_2a(s)作為輸入，通過(guò)交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)以及網(wǎng)絡(luò)通路單元傳輸?shù)男盘?hào)y_p12(s)，同時(shí)作用于閉環(huán)控制回路1和對(duì)被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)；從輸入信號(hào)u_2a(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來(lái)自閉環(huán)控制回路2執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)u_2a(s)，通過(guò)被控對(duì)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(hào)u_2a(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

從上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(5)至(7)中可以看出：當(dāng)被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型時(shí)，即當(dāng)G_11m(s)＝G₁₁(s)時(shí)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母為1，此時(shí)閉環(huán)控制回路1相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其閉環(huán)特征方程中不再包含影響系統(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?xún)H與被控對(duì)象、交叉解耦通路傳遞函數(shù)和內(nèi)模控制器本身的穩(wěn)定性有關(guān)；采用本發(fā)明方法可降低網(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)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與二自由度IMC；當(dāng)閉環(huán)控制回路1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，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量。

針對(duì)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：

2)來(lái)自閉環(huán)控制回路1控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)信號(hào)u_1a(s)作為輸入，通過(guò)交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)以及網(wǎng)絡(luò)通路單元傳輸?shù)男盘?hào)y_p21(s)作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號(hào)u_1a(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來(lái)自閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)u_1a(s)，通過(guò)被控對(duì)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(hào)u_1a(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

從上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(8)至(10)中可以看出：閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母為1，此時(shí)閉環(huán)控制回路2相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)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?xún)H與被控對(duì)象、交叉解耦通路傳遞函數(shù)和內(nèi)?？刂破鞅旧淼姆€(wěn)定性有關(guān)；采用本發(fā)明方法可降低網(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)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與一自由度IMC。

(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(guò)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(jiǎn)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)?？刂破鰿_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(11)和(12)中可以看出：一個(gè)自由度的內(nèi)模控制器C_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)的設(shè)計(jì)與選擇：

閉環(huán)控制回路1的反饋濾波器F₁(s),可選取比較簡(jiǎn)單的一階濾波器F₁(s)＝(λ₁s+1)/(λ_1fs+1)，其中：λ₁為前饋濾波器f₁(s)的時(shí)間常數(shù)，并與其參數(shù)選擇一致；λ_1f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的減小而變好；在前饋濾波器調(diào)節(jié)參數(shù)λ₁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的減小而變強(qiáng)。

因此，基于二自由度IMC的TITO-NDCS，可以通過(guò)合理選擇前饋濾波器f₁(s)與反饋濾波器F₁(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)估數(shù)學(xué)模型等于其真實(shí)模型或被控對(duì)象預(yù)估數(shù)學(xué)模型與其真實(shí)模型可能存在一定偏差時(shí)采用閉環(huán)控制回路1的二自由度IMC方法，以及被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型已知或不完全確知時(shí)采用閉環(huán)控制回路2的一自由度IMC方法，所構(gòu)成的一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制；其研究思路與方法，同樣也適用于被控對(duì)象預(yù)估數(shù)學(xué)模型等于其真實(shí)模型或被控對(duì)象預(yù)估數(shù)學(xué)模型與其真實(shí)模型可能存在一定偏差時(shí)采用閉環(huán)控制回路1的二自由度IMC方法，以及被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型已知或不完全確知時(shí)采用閉環(huán)控制回路2的一自由度IMC方法，所構(gòu)成的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(MIMO-NDCS)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制。

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)控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y_1b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p12(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)被控制解耦信號(hào)u_1a(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)控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y₂(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p21(s)所觸發(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)被信號(hào)u_2a(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)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)；

A3：傳感器S1節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y_1b(s)，通過(guò)閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器CD1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)控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)；

方式B的步驟包括：

B1：控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_1b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p12(s)所觸發(fā)；

B2：在控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)中，將反饋信號(hào)y_1b(s)與被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)的輸出值y_11ma(s)相減后得到信號(hào)y_1c(s)，即y_1c(s)＝y(tǒng)_1b(s)-y_11ma(s)；將y_1c(s)作用于反饋濾波器F₁(s)得到其輸出信號(hào)y_F1(s)；

B3：將閉環(huán)控制回路1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)；

B4：將IMC信號(hào)u₁(s)，減去來(lái)自于控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)通過(guò)解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)和網(wǎng)絡(luò)通路單元傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)y_p12(s)，得到控制解耦信號(hào)u_1a(s)，即u_1a(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

B5：將信號(hào)y_p12(s)作用于被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11ma(s)；將u_1a(s)作用于解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)，并將P₂₁(s)的輸出信號(hào)y_p21(s)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通路單元向控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)傳輸，y_p21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₂₁后，才能到達(dá)控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)；

B6：將控制解耦信號(hào)u_1a(s)，通過(guò)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，u_1a(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，被信號(hào)u_1a(s)所觸發(fā)；

C2：執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，將控制解耦信號(hào)u_1a(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)；

C3：將控制解耦信號(hào)u_1a(s)作用于被控對(duì)象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將控制解耦信號(hào)u_1a(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)的解耦與控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與二自由度IMC；

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)進(jìn)行采樣，并計(jì)算閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號(hào)y₂(s)，即y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)；

D3：傳感器S2節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y₂(s)，通過(guò)閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₄后，才能到達(dá)控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)；

方式E的步驟包括：

E1：控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y₂(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p21(s)所觸發(fā)；

E2：在控制解耦器CD2中，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號(hào)x₂(s)減去反饋信號(hào)y₂(s)得到誤差信號(hào)e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y₂(s)；對(duì)e₂(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_2IMC(s)，得到其輸出IMC信號(hào)u₂(s)；

E3：對(duì)反饋信號(hào)y₂(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_2IMC(s)，得到其IMC信號(hào)u_2b(s)；

E4：將IMC信號(hào)u₂(s)與IMC信號(hào)u_2b(s)相加后，再與來(lái)自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p21(s)相減，得到控制解耦輸出信號(hào)u_2a(s)，即u_2a(s)＝u₂(s)+u_2b(s)-y_p21(s)；將u_2a(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出信號(hào)y_p12(s)；將y_p12(s)通過(guò)交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)傳輸，信號(hào)y_p12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₁₂后，才能到達(dá)控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)；

E5：將信號(hào)u_2a(s)通過(guò)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，u_2a(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₃后，才能到執(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，被信號(hào)u_2a(s)所觸發(fā)；

F2：執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，將信號(hào)u_2a(s)作用于被控對(duì)象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號(hào)u_2a(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)的解耦與控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與一自由度IMC。

本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：

1、由于從結(jié)構(gòu)上免除對(duì)TITO-NDCS中，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測(cè)量、觀測(cè)、估計(jì)或辨識(shí)，同時(shí)還可免除節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)同步要求，可避免時(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)，同時(shí)還可避免由于時(shí)延造成的“空采樣”或“多采樣”帶來(lái)的補(bǔ)償誤差。

2、由于從TITO-NDCS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(wú)關(guān)，因而既適用于采用有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的TITO-NDCS，亦適用于采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的TITO-NDCS；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-NDCS，同時(shí)亦適用于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的TITO-NDCS。

3、TITO-NDCS中，采用一自由度IMC的閉環(huán)控制回路2，其閉環(huán)控制回路的可調(diào)參數(shù)只有一個(gè)，其參數(shù)的調(diào)節(jié)與選擇簡(jiǎn)單，且物理意義明確；采用二自由度IMC的閉環(huán)控制回路1，其閉環(huán)控制回路的可調(diào)參數(shù)為2個(gè)，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能與抗干擾性能，尤其是當(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)的存在可進(jìn)一步改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能質(zhì)量，降低長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4、由于本發(fā)明采用的是“軟件”改變TITO-NDCS結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償與控制方法，因而在其實(shí)現(xiàn)過(guò)程中無(wú)需再增加任何硬件設(shè)備，利用現(xiàn)有TITO-NDCS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(shuō)明

圖1：NCS的典型結(jié)構(gòu)

圖1中，系統(tǒng)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-NDCS的典型結(jié)構(gòu)

圖2中，系統(tǒng)由r個(gè)傳感器S節(jié)點(diǎn)，控制解耦器CD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)表示系統(tǒng)的第i個(gè)控制信號(hào)；表示將控制解耦信號(hào)u_i(s)從控制解耦器CD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；表示將系統(tǒng)的第j個(gè)傳感器S節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)y_j(s)向控制解耦器CD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-NDCS的典型結(jié)構(gòu)

圖3由閉環(huán)控制回路1和2所構(gòu)成，系統(tǒng)包含傳感器S1和S2節(jié)點(diǎn)，控制解耦器CD1和CD2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)，交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)和P₁₂(s)，前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元和以及反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元和以及交叉解耦網(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)輸入信號(hào)；y₁(s)和y₂(s)表示系統(tǒng)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)；y_p21(s)和y_p12(s)表示交叉解耦通路輸出信號(hào)；u_1a(s)和u_2a(s)表示控制解耦信號(hào)；τ₁和τ₃表示將控制解耦信號(hào)u_1a(s)和u_2a(s)從控制解耦器CD1和CD2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)向控制解耦器CD1和CD2節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延；τ₂₁和τ₁₂表示將交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)和P₁₂(s)的輸出信號(hào)y_p21(s)和y_p12(s)向控制解耦器CD2和CD1節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延。

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

圖4中，以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延以及的預(yù)估模型；以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延以及的預(yù)估模型；G_11m(s)是被控對(duì)象G₁₁(s)的預(yù)估模型；C_2mIMC(s)是內(nèi)?？刂破鰿_2IMC(s)的預(yù)估控制器；C_1IMC(s)是內(nèi)模控制器。

圖5：一種二輸入二輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的IMC方法

圖5可實(shí)現(xiàn)對(duì)閉環(huán)控制回路1和2中大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制。

具體實(shí)施方式

下面將通過(guò)參照附圖5來(lái)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，被周期為h₁的采樣信號(hào)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)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)；

第二步：傳感器S1節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y_1b(s)，通過(guò)閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器CD1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)控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)；

第三步：控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_1b(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p12(s)觸發(fā)后，將反饋信號(hào)y_1b(s)與被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)的輸出值y_11ma(s)相減后得到信號(hào)y_1c(s)，即y_1c(s)＝y(tǒng)_1b(s)-y_11ma(s)；將y_1c(s)作用于反饋濾波器F₁(s)得到其輸出信號(hào)y_F1(s)；將閉環(huán)控制回路1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IMC信號(hào)u₁(s)，減去來(lái)自于控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)通過(guò)解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)和網(wǎng)絡(luò)通路單元傳輸過(guò)來(lái)的信號(hào)y_p12(s)，得到控制解耦信號(hào)u_1a(s)，即u_1a(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

第四步：將信號(hào)y_p12(s)作用于被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11ma(s)；將u_1a(s)作用于解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)，并將P₂₁(s)的輸出信號(hào)y_p21(s)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通路單元向控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)傳輸，y_p21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₂₁后，才能到達(dá)控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)；

第五步：將控制解耦信號(hào)u_1a(s)，通過(guò)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，u_1a(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)；

第六步：執(zhí)行器A1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被信號(hào)u_1a(s)所觸發(fā)后，將控制解耦信號(hào)u_1a(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)；

第七步：將控制解耦信號(hào)u_1a(s)作用于被控對(duì)象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將控制解耦信號(hào)u_1a(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)的解耦與控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與二自由度IMC；

第八步：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，被周期為h₂的采樣信號(hào)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)進(jìn)行采樣，并計(jì)算閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)輸出信號(hào)y₂(s)，即y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)；

第二步：傳感器S2節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y₂(s)，通過(guò)閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₄后，才能到達(dá)控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)；

第三步：控制解耦器CD2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y₂(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p21(s)所觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號(hào)x₂(s)減去反饋信號(hào)y₂(s)得到誤差信號(hào)e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y₂(s)；對(duì)e₂(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_2IMC(s)，得到其輸出IMC信號(hào)u₂(s)；對(duì)反饋信號(hào)y₂(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_2IMC(s)，得到其輸出IMC信號(hào)u_2b(s)；將IMC信號(hào)u₂(s)與IMC信號(hào)u_2b(s)相加后，再與來(lái)自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路單元的輸出信號(hào)y_p21(s)相減，得到控制解耦輸出信號(hào)u_2a(s)，即u_2a(s)＝u₂(s)+u_2b(s)-y_p21(s)；

第四步：將u_2a(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出信號(hào)y_p12(s)；將y_p12(s)通過(guò)交叉解耦網(wǎng)絡(luò)通路向控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)傳輸，信號(hào)y_p12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₁₂后，才能到達(dá)控制解耦器CD1節(jié)點(diǎn)；

第五步：將信號(hào)u_2a(s)通過(guò)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，u_2a(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)；

第六步：執(zhí)行器A2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被信號(hào)u_2a(s)所觸發(fā)后，將信號(hào)u_2a(s)作用于被控對(duì)象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號(hào)u_2a(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)的解耦與控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)大網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與一自由度IMC；

第八步：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(shuō)明書(shū)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)。