一種基于imc(internalmodelcontrol，imc)的tito(two-inputandtwo-output，tito)-ndcs(networkeddecouplingcontrolsystems，ndcs)時延補償方法，涉及自動控制技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和計算機技術(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)：

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(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networkedcontrolsystems，ncs)，ncs的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ncs與傳統(tǒng)的點對點結(jié)構(gòu)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(xué)、遠程教學(xué)、無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)均屬于ncs的范疇，此外，ncs在航空航天領(lǐng)域，以及復(fù)雜、危險的工業(yè)控制領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用，對其研究已成為國際學(xué)術(shù)界的一個熱點課題。

在ncs中，由于網(wǎng)絡(luò)時延、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)。當ncs的傳感器、控制器和執(zhí)行器之間通過網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)時，必然會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中的信息源很多，傳輸數(shù)據(jù)流經(jīng)眾多計算機和通信設(shè)備且路徑非唯一；或由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及傳輸機制的影響，網(wǎng)絡(luò)擁塞或連接中斷等原因，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(yīng)用。傳統(tǒng)的控制理論在對系統(tǒng)進行分析和設(shè)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(diào)節(jié)。然而在ncs中，由于控制回路存在網(wǎng)絡(luò)，上述假設(shè)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(yīng)用到ncs中。

目前，國內(nèi)外關(guān)于ncs的研究，主要是針對單輸入單輸出(single-inputandsingle-output，siso)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng)絡(luò)時延已知、未知或隨機，網(wǎng)絡(luò)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(xué)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-inputandtwo-output，tito)的控制系統(tǒng)，所構(gòu)成的多輸入多輸出(multiple-inputandmultiple-output，mimo)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(networkeddecouplingcontrolsystems，ndcs)時延補償與控制的研究成果則相對更少。

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：

(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(jīng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)比siso-ncs和mimo-ncs要復(fù)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(fù)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(shè)計與控制的方法，已無法滿足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)計與分析中，給mimo-ndcs的控制與設(shè)計帶來了一定的困難。

對于mimo-ndcs，網(wǎng)絡(luò)時延補償與控制的難點主要在于：

(1)由于網(wǎng)絡(luò)時延與網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)負載、網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)包大小等因素有關(guān)，對大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期的網(wǎng)絡(luò)時延，要建立mimo-ndcs中各個控制回路的網(wǎng)絡(luò)時延準確的預(yù)測、估計或辨識的數(shù)學(xué)模型，目前幾乎是不可能的。

(2)發(fā)生在mimo-ndcs中，前一個節(jié)點向后一個節(jié)點傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)過程中的網(wǎng)絡(luò)時延，在前一個節(jié)點中無論采用何種預(yù)測或估計方法，都不可能事先提前知道其后產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時延的準確值。時延導(dǎo)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(shè)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(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mimo-ndcs實施時延補償與控制要比mimo-ncs和siso-ncs困難得多。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及mimo-ndcs中的一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)網(wǎng)絡(luò)時延的補償與控制，其tito-ndcs的典型結(jié)構(gòu)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(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器da1節(jié)點所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延；τ2表示將傳感器s1節(jié)點的輸出信號y1(s)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)娇刂破鱟節(jié)點所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)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up2(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up2(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，包含了網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量，甚至導(dǎo)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(jīng)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器da2節(jié)點所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時延；τ4表示將傳感器s2節(jié)點的輸出信號y2(s)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)娇刂破鱟節(jié)點所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)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up1(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up1(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，包含了網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量，甚至導(dǎo)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，均包含了網(wǎng)絡(luò)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，均包含了網(wǎng)絡(luò)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(zhì)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(zhì)量并影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴重時將導(dǎo)致整個系統(tǒng)失去穩(wěn)定性。

為此，針對圖3中的閉環(huán)控制回路1：本發(fā)明提出一種基于二自由度imc的時延補償方法；針對圖3中的閉環(huán)控制回路2：提出一種基于一自由度imc的時延補償方法；構(gòu)成兩閉環(huán)控制回路網(wǎng)絡(luò)時延的補償與控制，用于免除對各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時延的測量、估計或辨識，進而降低網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2，以及τ3和τ4對各自閉環(huán)控制回路以及對整個控制系統(tǒng)控制性能質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；當預(yù)估模型等于其真實模型時，可實現(xiàn)各閉環(huán)控制回路的特征方程中不包含網(wǎng)絡(luò)時延的指數(shù)項，進而可降低網(wǎng)絡(luò)時延對整個系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質(zhì)量，實現(xiàn)對tito-ndcs網(wǎng)絡(luò)時延的分段、實時、在線和動態(tài)的預(yù)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：在控制器c節(jié)點中，構(gòu)建一個內(nèi)?？刂破鱟1imc(s)取代控制器c1(s)；為了實現(xiàn)滿足預(yù)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(wǎng)絡(luò)時延的指數(shù)項，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)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(yù)估模型g11m(s)作為被控過程，控制與過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時延預(yù)估模型以及圍繞內(nèi)?？刂破鱟1imc(s)，構(gòu)造一個正反饋預(yù)估控制回路；實施本步驟的結(jié)構(gòu)如圖4所示；

第二步：針對實際tito-ndcs中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時延準確值的問題，在圖4中要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補償與imc，除了要滿足被控對象預(yù)估模型等于其真實模型的條件外，還必須滿足網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估補償模型以及因而無論被控對象的預(yù)估模型是否等于其真實模型，都可以從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時延的預(yù)估補償模型，從而免除對閉環(huán)控制回路1中，節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的測量、估計或辨識；當預(yù)估模型等于其真實模型時，可實現(xiàn)對其網(wǎng)絡(luò)時延τ1和τ2的補償與控制；與此同時，在控制器c節(jié)點的閉環(huán)控制回路1的反饋回路中，增加反饋濾波器f1(s)；實施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時延補償與二自由度imc方法結(jié)構(gòu)如圖5所示；

針對圖3中的閉環(huán)控制回路2：

第一步：在控制器c節(jié)點中，構(gòu)建一個內(nèi)模控制器c2imc(s)取代控制器c2(s)；為了實現(xiàn)滿足預(yù)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(wǎng)絡(luò)時延指數(shù)項，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)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)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時延預(yù)估模型和預(yù)估內(nèi)?？刂破鱟2mimc(s)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸時延預(yù)估模型構(gòu)造一個正反饋預(yù)估控制回路；實施本步驟的結(jié)構(gòu)如圖4所示；

第二步：針對實際tito-ndcs中，難以獲取網(wǎng)絡(luò)時延準確值的問題，在圖4中要實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的補償與控制，必須滿足網(wǎng)絡(luò)時延預(yù)估模型和要等于其真實模型和的條件，以及滿足預(yù)估內(nèi)?？刂破鱟2mimc(s)等于其內(nèi)?？刂破鱟2imc(s)的條件(由于內(nèi)?？刂破鱟2imc(s)是人為設(shè)計與選擇，自然滿足c2mimc(s)＝c2imc(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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程和代替其間網(wǎng)絡(luò)時延的預(yù)估補償模型和得到圖5所示的網(wǎng)絡(luò)時延補償結(jié)構(gòu)；

第三步：將圖5中內(nèi)模控制器c2imc(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(wǎng)絡(luò)時延補償結(jié)構(gòu)；從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)系統(tǒng)不包含其間網(wǎng)絡(luò)時延的預(yù)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(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的測量、估計或辨識，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的補償與一自由度imc；實施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時延補償與一自由度imc結(jié)構(gòu)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(jīng)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中的內(nèi)模控制器c2imc(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(jié)果，并非人為設(shè)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(jié)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(dǎo)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(qū)動，如果控制器c節(jié)點沒有接收到來自反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸過來的信號y2(s)，則處于事件驅(qū)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：g11m(s)是被控對象g11(s)的預(yù)估模型；c1imc(s)是內(nèi)?？刂破?；f1(s)是反饋濾波器。

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u2p(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)p12(s)作用于閉環(huán)控制回路1；與此同時，信號u2p(s)通過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u2p(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(yù)估模型等于其真實模型，即當g11m(s)＝g11(s)時，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)傳遞函數(shù)分母由變成為1。

此時，閉環(huán)控制回路1相當于一個開環(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)時延τ1和τ2的指數(shù)項和系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅與被控對象和內(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(zhì)量，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補償與二自由度imc；當系統(tǒng)存在較大擾動和模型失配時，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)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，進一步改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質(zhì)量。

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：c2imc(s)是內(nèi)?？刂破鳌?/p>

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u1p(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)p21(s)作用于閉環(huán)控制回路2；與此同時，信號u1p(s)通過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u1p(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，閉環(huán)控制回路2相當于一個開環(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)時延τ3和τ4的指數(shù)項和系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅與被控對象、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(zhì)量，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補償與一自由度imc。

(1)在閉環(huán)控制回路1和控制回路2中，內(nèi)?？刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)的設(shè)計與選擇：

設(shè)計內(nèi)?？刂破饕话悴捎昧銟O點相消法，即兩步設(shè)計法：第一步是設(shè)計一個取之為被控對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)成一個完整的內(nèi)模控制器c1imc(s)和c2imc(s)。

1)前饋控制器c11(s)和c22(s)

先忽略被控對象與被控對象模型不完全匹配時的誤差、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，被控對象預(yù)估模型等于其真實模型，即：g11m(s)＝g11(s)，g22m(s)＝g22(s)。

此時，被控對象預(yù)估模型可以根據(jù)被控對象的零極點分布狀況劃分為：g11m(s)＝g11m+(s)g11m-(s)和g22m(s)＝g22m+(s)g22m-(s)，其中：g11m+(s)和g22m+(s)分別為被控對象預(yù)估模型g11m(s)和g22m(s)中包含純滯后環(huán)節(jié)和s右半平面零極點的不可逆部分；g11m-(s)和g22m-(s)分別為被控對象預(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)

由于被控對象中的純滯后環(huán)節(jié)和位于s右半平面的零極點會影響前饋控制器的物理實現(xiàn)性，因而在前饋控制器的設(shè)計過程中只取了被控對象最小相位的可逆部分g11m-(s)和g22m-(s)，忽略了g11m+(s)和g22m+(s)；由于被控對象與被控對象預(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，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為前饋濾波器時間常數(shù)；n1和n2為前饋濾波器的階次，且n1＝n1a-n1b和n2＝n2a-n2b；n1a和n2a分別為被控對象g11(s)和g22(s)分母的階次；n1b和n2b分別為被控對象g11(s)和g22(s)分子的階次，通常n1＞0和n2＞0。

3)內(nèi)?？刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)

閉環(huán)控制回路1和回路2的內(nèi)模控制器c1imc(s)和c2imc(s)可分別選取為:

和

從等式(9)和(10)中可以看出：一個自由度的內(nèi)?？刂破鱟1imc(s)和c2imc(s)中，都只有一個可調(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，一般需要在系統(tǒng)的跟蹤性與抗干擾能力兩者之間進行折衷。

(2)反饋濾波器f1(s)的設(shè)計與選擇：

閉環(huán)控制回路1的反饋濾波器f1(s)，可選取比較簡單的一階濾波器f1(s)＝(λ1s+1)/(λ1fs+1)，其中：λ1為前饋濾波器f1(s)中的時間常數(shù)，并與其參數(shù)選擇一致；λ1f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)λ1f固定不變的情況下，系統(tǒng)的跟蹤性能會隨著前饋濾波器調(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，而抗干擾能力則會隨著λ1f的減小而變強。

因此，基于二自由度imc的tito-ndcs，可以通過合理選擇前饋濾波器f1(s)與反饋濾波器f1(s)的參數(shù)，提高系統(tǒng)跟蹤性和抗干擾能力，降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響，改善系統(tǒng)動態(tài)性能質(zhì)量。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于被控對象預(yù)估模型等于其真實模型或被控對象預(yù)估模型與其真實模型可能存在一定偏差時采用控制回路1的二自由度imc方法，以及被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知時采用控制回路2的一自由度imc方法，所構(gòu)成的一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)網(wǎng)絡(luò)時延的補償與控制；其研究思路與方法，同樣也適用于被控對象預(yù)估模型等于其真實模型或被控對象預(yù)估模型與其真實模型可能存在一定偏差時采用控制回路1的二自由度imc方法，以及被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知時采用控制回路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)網(wǎng)絡(luò)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y1b(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imc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imc信號u2(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(qū)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y11mb(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y1b(s)，且y1(s)＝y(tǒng)11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y(tǒng)1(s)-y11mb(s)；

a3：將反饋信號y1b(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)點傳輸，反饋信號y1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發(fā)；

b2：在控制器c節(jié)點中，將反饋信號y1b(s)作用于反饋濾波器f1(s)得到其輸出值yf1(s)，即yf1(s)＝y(tǒng)1b(s)f1(s)；將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號x1(s)，減去反饋濾波器f1(s)的輸出信號yf1(s)得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-yf1(s)；

b3：對e1(s)實施內(nèi)?？刂扑惴╟1imc(s)，得到imc信號u1(s)；

b4：將imc信號u1(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da1節(jié)點傳輸，u1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)動方式，被imc信號u1(s)所觸發(fā)；

c2：在解耦執(zhí)行器da1節(jié)點中，將imc信號u1(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(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u2p(s)作用于交叉解耦通路傳遞函數(shù)p12(s)得到其輸出值yp12(s)；將imc信號u1(s)與yp12(s)相減得解耦執(zhí)行器da1節(jié)點輸出信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；

c3：將信號u1p(s)作用于被控對象g11(s)得到其輸出值y11(s)；將信號u1p(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)的解耦控制和二自由度imc，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)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(qū)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，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(wǎng)絡(luò)通路向控制器c節(jié)點傳輸，反饋信號y2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)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)；對e2(s)實施內(nèi)?？刂扑惴╟2imc(s)，得到imc信號u2(s)；

e3：將imc信號u2(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da2節(jié)點傳輸，u2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)動方式，被imc信號u2(s)所觸發(fā)；

f2：將imc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u1p(s)通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)p21(s)的輸出信號yp21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

f3：將信號u2p(s)作用于被控對象g22(s)得到其輸出值y22(s)；將信號u2p(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)的解耦控制和一自由度imc，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)上免除對tito-ndcs中，網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)上，實現(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-ndcs，亦適用于采用無線網(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，同時亦適用于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的tito-ndcs。

3、采用一個自由度imc的閉環(huán)控制回路2，其控制回路的可調(diào)參數(shù)只有1個，其參數(shù)的調(diào)節(jié)與選擇簡單，且物理意義明確；采用二自由度imc的閉環(huán)控制回路1，其控制回路的可調(diào)參數(shù)有2個，可進一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能與抗干擾能力，尤其是當系統(tǒng)存在較大擾動和模型失配時，反饋濾波器f1(s)的存在可進一步改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質(zhì)量，降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(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(shè)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(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，控制器c節(jié)點，執(zhí)行器a節(jié)點，被控對象，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；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；τca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(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；τsc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(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)

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(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延單元，以及r個反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延單元所組成。

圖2中：yj(s)表示系統(tǒng)的第j個輸出信號；ui(s)表示第i個控制信號；表示將控制信號ui(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(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；表示將第j個傳感器s節(jié)點的檢測信號yj(s)向控制器c節(jié)點傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)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(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，控制器c節(jié)點，解耦執(zhí)行器da1和da2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路傳遞函數(shù)g21(s)和g12(s)，交叉解耦通路傳遞函數(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da2節(jié)點傳輸所經(jīng)歷的前向網(wǎng)絡(luò)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(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延。

圖4：一種包含預(yù)估模型的tito-ndcs時延補償與控制結(jié)構(gòu)

圖4中：c1imc(s)是控制回路1的內(nèi)?？刂破鳎籧2mimc(s)是控制回路2的內(nèi)?？刂破鱟2imc(s)的預(yù)估模型；以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時延以及的預(yù)估時延模型；以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時延以及的預(yù)估時延模型；g11m(s)是被控對象傳遞函數(shù)g11(s)的預(yù)估模型。

圖5：用真實模型代替預(yù)估模型的tito-ndcs時延補償與控制結(jié)構(gòu)

圖5中：f1(s)是反饋濾波器。

圖6：一種基于imc的tito-ndcs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(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。

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(qū)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y11mb(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y1b(s)，且y1(s)＝y(tǒng)11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y(tǒng)1(s)-y11mb(s)；

第二步：傳感器s1節(jié)點將反饋信號y1b(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)點傳輸，反饋信號y1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發(fā)后，將反饋信號y1b(s)作用于反饋濾波器f1(s)得到其輸出值yf1(s)，即yf1(s)＝y(tǒng)1b(s)f1(s)；將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號x1(s)，減去反饋濾波器f1(s)的輸出信號yf1(s)得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-yf1(s)；對e1(s)實施內(nèi)?？刂扑惴╟1imc(s)，得到imc信號u1(s)；

第四步：將imc信號u1(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da1節(jié)點傳輸，u1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)動方式，被imc信號u1(s)所觸發(fā)后，將imc信號u1(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(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u2p(s)作用于交叉解耦通路傳遞函數(shù)p12(s)得到其輸出值yp12(s)；將imc信號u1(s)與yp12(s)相減得解耦執(zhí)行器da1節(jié)點輸出信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；

第六步：將信號u1p(s)作用于被控對象g11(s)得到其輸出值y11(s)；將信號u1p(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)的解耦控制加二自由度imc，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)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(qū)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(wǎng)絡(luò)通路向控制器c節(jié)點傳輸，反饋信號y2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)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)；對e2(s)實施內(nèi)?？刂扑惴╟2imc(s)，得到imc信號u2(s)；

第四步：將imc信號u2(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡(luò)通路單元向解耦執(zhí)行器da2節(jié)點傳輸，u2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)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(qū)動方式，被imc信號u2(s)所觸發(fā)后，將imc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u1p(s)通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)p21(s)的輸出信號yp21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

第六步：將信號u2p(s)作用于被控對象g22(s)得到其輸出值y22(s)；將信號u2p(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)的解耦控制加一自由度imc，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)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(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

本說明書中未作詳細描述的內(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)。