一種基于spc(smithpredictorcontrol,spc)和imc(internalmodelcontrol,imc)的兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)時(shí)延補(bǔ)償方法,涉及自動控制技術(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):
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(shí)時(shí)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(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比,可實(shí)現(xiàn)資源共享,遠(yuǎn)程操作與控制,具有極高的診斷能力,安裝與維護(hù)簡便,增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)程遙操作、遙醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)程教學(xué)、無線網(wǎng)絡(luò)機(jī)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(xiǎn)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(gè)熱點(diǎn)課題。
在ncs中,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)。當(dāng)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(shí),必然會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(jì)算機(jī)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(jī)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(shí)序錯(cuò)亂和數(shù)據(jù)包的丟失。雖然時(shí)延系統(tǒng)的分析和建模近年來已取得很大進(jìn)展,但ncs中可能存在多種不同性質(zhì)的時(shí)延(常數(shù)、有界、隨機(jī)、時(shí)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(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí),往往做了很多理想化的假定,如單率采樣、同步控制、無時(shí)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(shí)延已知、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,對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建?;蚍€(wěn)定性分析與控制。但針對實(shí)際工業(yè)過程中,普遍存在的至少包含兩個(gè)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(shí)延補(bǔ)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(diǎn):
(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(gè)輸入信號的變化將會使多個(gè)輸出信號發(fā)生變化,而各個(gè)輸出信號也不只受到一個(gè)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(dú)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(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(jì)與分析中,給mimo-ndcs的控制與設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。
對于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、估計(jì)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(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)帶來困難。
(3)要滿足mimo-ndcs中,不同分布地點(diǎn)的所有節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號完全同步是不現(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mimo-ndcs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中的一種兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延;τ2表示將傳感器s1節(jié)點(diǎn)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(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
2)來自閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)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
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(diǎn)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(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延;τ4表示將傳感器s2節(jié)點(diǎn)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(diǎn)所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。
2)來自閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)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
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(shí)延τ1和τ2的指數(shù)項(xiàng)
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spc的時(shí)延補(bǔ)償方法;針對閉環(huán)控制回路2:本發(fā)明提出一種基于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)償與混雜控制,用于免除對各閉環(huán)控制回路中,節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測量、估計(jì)或辨識,進(jìn)而降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ1和τ2,以及τ3和τ4對各自閉環(huán)控制回路以及對整個(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)延對整個(gè)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(shí)現(xiàn)對tito-ndcs網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的分段、實(shí)時(shí)、在線和動態(tài)的預(yù)估補(bǔ)償與spc和imc。
采用方法:
針對圖3中的閉環(huán)控制回路1:
第一步: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)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ1和τ2的補(bǔ)償與控制,在控制器c節(jié)點(diǎn)中,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(shí)延預(yù)估模型
第二步:針對實(shí)際tito-ndcs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)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制,除了要滿足被控對象預(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
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(diǎn)中,構(gòu)建一個(gè)內(nèi)??刂破鱟2imc(s)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)特征方程不再包含網(wǎng)絡(luò)時(shí)延指數(shù)項(xiàng),以實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ3和τ4的補(bǔ)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(shí)延預(yù)估模型
第二步:針對實(shí)際tito-ndcs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)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制,必須滿足網(wǎng)絡(luò)時(shí)延預(yù)估模型
第三步:將圖5中內(nèi)??刂破鱟2imc(s),按傳遞函數(shù)等價(jià)變換規(guī)則進(jìn)一步化簡,得到圖6所示的實(shí)施本發(fā)明方法的網(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)延的預(yù)估補(bǔ)償模型,從而免除對閉環(huán)控制回路2中,節(jié)點(diǎn)之間網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ3和τ4的測量、估計(jì)或辨識,可實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ3和τ4的補(bǔ)償與imc;實(shí)施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延補(bǔ)償與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(diǎn)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(shí)施先“減”后“加”,或先“加”后“減”的運(yùn)算規(guī)則,即y2(s)信號同時(shí)經(jīng)過正反饋和負(fù)反饋連接到控制器c節(jié)點(diǎn)中:
(1)這是由于將圖5中的內(nèi)??刂破鱟2imc(s),按照傳遞函數(shù)等價(jià)變換規(guī)則進(jìn)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(diǎn)幾乎都是智能節(jié)點(diǎn),不僅具有通信與運(yùn)算功能,而且還具有存儲與控制等功能,在節(jié)點(diǎn)中對同一個(gè)信號進(jìn)行先“減”后“加”,或先“加”后“減”,這在運(yùn)算法則上不會有什么不符合規(guī)則之處;
(3)在節(jié)點(diǎn)中對同一個(gè)信號進(jìn)行“加”與“減”運(yùn)算其結(jié)果值為“零”,這個(gè)“零”值,并不表明在該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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;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(diǎn)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(shí),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(dāng)被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型,即當(dāng)g11m(s)=g11(s)時(shí),閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)特征方程將由
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)模控制器。
2)來自于閉環(huán)控制回路1中解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)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(shí),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,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τ3和τ4的指數(shù)項(xiàng)
在閉環(huán)控制回路1中,控制器c1(s)的選擇:
控制器c1(s)可根據(jù)被控對象g11(s)的數(shù)學(xué)模型,以及模型參數(shù)的變化,既可選擇常規(guī)控制策略,亦可選擇智能控制或復(fù)雜控制策略;閉環(huán)控制回路1采用spc方法,從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)與具體控制器c1(s)的控制策略的選擇無關(guān)。
在閉環(huán)控制回路2中,內(nèi)??刂破鱟2imc(s)的設(shè)計(jì)與選擇:
設(shè)計(jì)內(nèi)模控制器一般采用零極點(diǎn)相消法,即兩步設(shè)計(jì)法:第一步是設(shè)計(jì)一個(gè)取之為被控對象模型的逆模型作為前饋控制器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f2(s),構(gòu)成一個(gè)完整的內(nèi)模控制器c2imc(s)。
(1)前饋控制器c22(s)
先忽略被控對象與被控對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2中,被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型,即:g22m(s)=g22(s)。
此時(shí),被控對象預(yù)估模型可以根據(jù)被控對象的零極點(diǎn)分布狀況劃分為:g22m(s)=g22m+(s)g22m-(s),其中:g22m+(s)為被控對象預(yù)估模型g22m(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;g22m-(s)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2的前饋控制器c22(s)可選取為:
(2)前饋濾波器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(diǎn)會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象最小相位的可逆部分g22m-(s),忽略了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2的前饋濾波器f2(s),選取為比較簡單的n2階濾波器
(3)內(nèi)??刂破鱟2imc(s)
閉環(huán)控制回路2的內(nèi)??刂破鱟2imc(s)可選取為:
從等式(9)中可以看出:一個(gè)自由度的內(nèi)??刂破鱟2imc(s)中,都只有一個(gè)可調(diào)節(jié)參數(shù)λ2,由于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)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。
本發(fā)明的適用范圍:
適用于控制回路1中被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型時(shí)采用spc,以及控制回路2中被控對象預(yù)估模型已知或不確知時(shí)采用imc,所構(gòu)成的一種兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制;其研究思路與方法,同樣也適用于控制回路中被控對象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型時(shí)采用spc,以及控制回路中被控對象預(yù)估模型已知或不確知時(shí)采用imc,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(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y1b(s)觸發(fā)時(shí),將采用方式b進(jìn)行工作;
(3).當(dāng)解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)被控制信號u1(s)觸發(fā)時(shí),將采用方式c進(jìn)行工作;
對于閉環(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y2(s)觸發(fā)時(shí),將采用方式e進(jìn)行工作;
(6).當(dāng)解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)被imc信號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(diǎn)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(diǎn)的輸出信號y11mb(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(diǎn)傳輸,反饋信號y1b(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)動方式,被反饋信號y1b(s)所觸發(fā);
b2:在控制器c節(jié)點(diǎn)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y1b(s)與被控對象傳遞函數(shù)預(yù)估模型g11m(s)的輸出信號y11ma(s),得到偏差信號e1(s),即e1(s)=x1(s)-y1b(s)-y11ma(s);
b3:對e1(s)實(shí)施控制算法c1(s),得到控制信號u1(s);將控制信號u1(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11ma(s);
b4:將控制信號u1(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡(luò)通路
方式c的步驟包括:
c1:解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)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(diǎn)中,將控制信號u1(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(s);將控制信號u1(s)與來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)的信號u2p(s)通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)p12(s)的輸出值yp12(s)相減得到信號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(shí)現(xiàn)對被控對象g11(s)和g21(s)的解耦控制加spc,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對網(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(diǎn)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(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(diǎn)傳輸,反饋信號y2(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)動方式,被反饋信號y2(s)所觸發(fā);
e2:在控制器c節(jié)點(diǎn)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(shí)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
方式f的步驟包括:
f1:解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)對被控對象g22(s)和g12(s)的解耦控制加imc,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對網(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、由于從結(jié)構(gòu)上免除對tito-ndcs中,網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的測量、觀測、估計(jì)或辨識,同時(shí)還可免除節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘信號同步的要求,可避免時(shí)延估計(jì)模型不準(zhǔn)確造成的估計(jì)誤差,避免對時(shí)延辨識所需耗費(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(shí)亦適用于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的tito-ndcs。
3、tito-ndcs中的控制回路1采用spc,由于從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)與具體控制器c1(s)的控制策略的選擇無關(guān),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(fù)雜控制策略的tito-ndcs。
4、tito-ndcs中的控制回路2采用imc,其內(nèi)??刂破鱟2imc(s)的可調(diào)參數(shù)只有一個(gè)λ2參數(shù),其參數(shù)的調(diào)節(jié)與選擇簡單,且物理意義明確;采用imc不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能與抗干擾性能,而且還可實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與imc。
5、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(diǎn)自帶的軟件資源,足以實(shí)現(xiàn)其補(bǔ)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(diǎn),控制器c節(jié)點(diǎn),執(zhí)行器a節(jié)點(diǎn),被控對象,前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸單元
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(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;τsc表示將傳感器s節(jié)點(diǎn)的檢測信號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)表示被控對象傳遞函數(shù)。
圖2:mimo-ndcs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)解耦執(zhí)行器da節(jié)點(diǎn),被控對象g,m個(gè)前向網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時(shí)延
圖2中:yj(s)表示系統(tǒng)的第j個(gè)輸出信號;ui(s)表示第i個(gè)控制信號;
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(diǎn),控制器c節(jié)點(diǎn),解耦執(zhí)行器da1和da2節(jié)點(diǎn),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
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(diǎn)向解耦執(zhí)行器da1和da2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)的檢測信號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-ndcs時(shí)延補(bǔ)償與控制結(jié)構(gòu)
圖4中:c1(s)是控制回路1的控制器;c2mimc(s)是控制回路2內(nèi)??刂破鱟2imc(s)的預(yù)估模型;
圖5:用真實(shí)模型代替預(yù)估模型的時(shí)延補(bǔ)償與控制結(jié)構(gòu)
圖6:基于spc和imc的兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)時(shí)延補(bǔ)償方法
具體實(shí)施方式
下面將通過參照附圖6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)動方式,當(dāng)傳感器s1節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的輸出信號y11mb(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(diǎn)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(diǎn)傳輸,反饋信號y1b(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)動方式,被反饋信號y1b(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y1b(s)與被控對象傳遞函數(shù)預(yù)估模型g11m(s)的輸出信號y11ma(s),得到偏差信號e1(s),即e1(s)=x1(s)-y1b(s)-y11ma(s);對e1(s)實(shí)施控制算法c1(s),得到控制信號u1(s);將控制信號u1(s)作用于被控對象預(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11ma(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(wǎng)絡(luò)通路
第五步:解耦執(zhí)行器da1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)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(yù)估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(s);將控制信號u1(s)與來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)的信號u2p(s)通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)p12(s)的輸出值yp12(s)相減得到信號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(shí)現(xiàn)對被控對象g11(s)和g21(s)的解耦控制加spc,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對網(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)動方式,當(dāng)傳感器s2節(jié)點(diǎn)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(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y2(s),且y2(s)=y(tǒng)22(s)+y21(s);
第二步:傳感器s2節(jié)點(diǎn)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(diǎn)傳輸,反饋信號y2(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(shí)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
第五步:解耦執(zhí)行器da2節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)對被控對象g22(s)和g12(s)的解耦控制加imc,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對網(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)。