一種tito(two-inputandtwo-output，tito)-ndcs(networkeddecouplingcontrolsystems，ndcs)隨機時延的spc(smithpredictorcontrol，spc)和imc(internalmodelcontrol，imc)方法，涉及自動控制，網(wǎng)絡(luò)通信和計算機技術(shù)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)：

隨著網(wǎng)絡(luò)通信、計算機和控制技術(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)(networkedcontrolsystems，ncs)是指基于網(wǎng)絡(luò)的實時閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，ncs的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

ncs可實現(xiàn)復(fù)雜大系統(tǒng)及遠程控制，節(jié)點資源共享，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)測等多個領(lǐng)域。

將網(wǎng)絡(luò)集成到控制系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的計算機控制系統(tǒng)中的點對點連線，具有很多優(yōu)點，例如：布線成本降低，電纜重量減少，安裝過程簡化以及可靠性提高等。但是，在反饋控制回路中加入通信網(wǎng)絡(luò)的同時，也增加了控制系統(tǒng)分析和設(shè)計的復(fù)雜性。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)。尤其是隨機網(wǎng)絡(luò)時延的存在，可降低ncs的控制質(zhì)量，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，嚴重時可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

目前，國內(nèi)外對于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)時延恒定、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。但是，針對實際工業(yè)過程中，普遍存在的至少包含兩個輸入與兩個輸出(two-inputandtwo-output，tito)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?shù)难芯砍晒麆t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)十個采樣周期的隨機網(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，對其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-ncs中的一種兩輸入兩輸出ndcs(tito-ndcs)隨機時延的補償與控制，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表示將控制信號u1(s)從c1(s)控制器所在的c1節(jié)點，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表示將輸出信號y1(s)從傳感器s1節(jié)點，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)絚1(s)控制器所在的c1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的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點中的控制信號u2(s)，作用于交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp12(s)再作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號u2(s)到輸出信號y1(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點輸出的驅(qū)動信號u2p(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的輸出信號y1(s)，從輸入信號u2p(s)到輸出信號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(3)的分母中，包含了網(wǎng)絡(luò)隨機時延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表示將控制信號u2(s)從c2(s)控制器所在的c2節(jié)點，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表示將輸出信號y2(s)從傳感器s2節(jié)點，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)絚2(s)控制器所在的c2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的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點中的控制信號u1(s)，作用于交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp21(s)再作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號u1(s)到輸出信號y2(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器da1節(jié)點輸出的驅(qū)動信號u1p(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的輸出信號y2(s)，從輸入信號u1p(s)到輸出信號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(4)和(6)的分母中，包含了網(wǎng)絡(luò)隨機時延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的傳遞函數(shù)等式(1)和(3)的分母中，均包含了網(wǎng)絡(luò)隨機時延τ1和τ2的指數(shù)項和以及閉環(huán)控制回路2的傳遞函數(shù)等式(4)和(6)的分母中，均包含了網(wǎng)絡(luò)隨機時延τ3和τ4的指數(shù)項和

由于閉環(huán)控制回路1的輸出信號y1(s)不僅受到其輸入信號x1(s)的影響，同時還受到閉環(huán)控制回路2的輸入信號x2(s)的影響；與此同時，閉環(huán)控制回路2的輸出信號y2(s)不僅受到其輸入信號x2(s)的影響，同時也受到閉環(huán)控制回路1的輸入信號x1(s)的影響；網(wǎng)絡(luò)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spc的時延補償與控制方法；針對閉環(huán)控制回路2：本發(fā)明提出一種基于imc的時延補償與控制方法；構(gòu)成兩閉環(huán)控制回路網(wǎng)絡(luò)時延的補償與混雜控制，用于免除對各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點之間隨機網(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，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能質(zhì)量，實現(xiàn)對tito-ndcs隨機網(wǎng)絡(luò)時延的分段、實時、在線和動態(tài)的補償與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)特征方程不再包含網(wǎng)絡(luò)時延指數(shù)項，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)隨機時延τ1和τ2的補償與控制，圍繞被控對象g11(s)，以閉環(huán)控制回路1輸出y1(s)作為輸入信號，將y1(s)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時延預(yù)估模型和預(yù)估控制器c1m(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；將y1(s)通過預(yù)估控制器c1m(s)構(gòu)造一個負反饋預(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)估控制器c1m(s)等于其控制器c1(s)的條件(由于控制器c1(s)是人為設(shè)計與選擇，自然滿足c1m(s)＝c1(s))。為此，從傳感器s1節(jié)點到控制器c1節(jié)點之間，以及從控制器c1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)時延補償與控制結(jié)構(gòu)；

第三步：將圖5中控制器c1(s)，按傳遞函數(shù)等價變換規(guī)則進一步化簡，得到實施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)隨機時延補償與spc結(jié)構(gòu)如圖6所示。

針對圖3中的閉環(huán)控制回路2：

第一步：在控制器c2節(jié)點中，構(gòu)建一個內(nèi)?？刂破鱟2imc(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)隨機時延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)模控制器c2mimc(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)模控制器c2mimc(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c2節(jié)點之間，以及從控制器c2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所示的隨機網(wǎng)絡(luò)時延補償與控制結(jié)構(gòu)；

第三步：將圖5中內(nèi)?？刂破鱟2imc(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)時延補償與imc結(jié)構(gòu)。

在此需要特別說明的是，在圖6的控制器c1和c2節(jié)點中，分別出現(xiàn)了閉環(huán)控制回路1和回路2的給定信號x1(s)和x2(s)，分別與其反饋信號y1(s)和y2(s)實施先“減”后“加”，或先“加”后“減”的運算規(guī)則，即y1(s)和y2(s)信號分別同時經(jīng)過正反饋和負反饋連接到控制器c1和c2節(jié)點中：

(1)這是由于將圖5中的控制器c1(s)和內(nèi)?？刂破鱟2imc(s)，分別按照傳遞函數(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y1(s)或者y2(s)就不存在，或沒有得到y(tǒng)1(s)或者y2(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c1或者c2節(jié)點的觸發(fā)，就分別來自于信號y1(s)或者y2(s)的驅(qū)動，如果控制器c1或者c2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y1(s)或者y2(s)，則處于事件驅(qū)動工作方式的控制器c1或者c2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：c1(s)是控制器。

2)來自閉環(huán)控制回路2的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點中的控制信號u2(s)，作用于交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp12(s)再作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號u2(s)到輸出信號y1(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點輸出的驅(qū)動信號u2p(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的輸出信號y1(s)，從輸入信號u2p(s)到輸出信號y1(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)特征方程為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(wǎng)絡(luò)隨機時延τ1和τ2的指數(shù)項和從而可降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)動態(tài)控制性能質(zhì)量，實現(xiàn)對隨機網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補償與spc。

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)來自閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點中的控制信號u1(s)，作用于交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，其輸出信號yp21(s)再作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號u1(s)到輸出信號y2(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器da1節(jié)點輸出的驅(qū)動信號u1p(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的輸出信號y2(s)，從輸入信號u1p(s)到輸出信號y2(s)之間閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，閉環(huán)控制回路2的分母為1，閉環(huán)特征方程中不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的隨機網(wǎng)絡(luò)時延τ3和τ4的指數(shù)項和從而可降低網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)動態(tài)控制性能質(zhì)量，實現(xiàn)對隨機網(wǎng)絡(luò)時延的動態(tài)補償與imc。

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)成一個完整的內(nèi)?？刂破鱟2imc(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)估模型等于其真實模型，即：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：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階濾波器其中：λ2為前饋濾波器時間常數(shù)；n2為前饋濾波器的階次，且n2＝n2a-n2b；n2a為被控對象g22(s)分母的階次；n2b為被控對象g22(s)分子的階次，通常n2＞0。

(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(13)中可以看出：一個自由度的內(nèi)?？刂破鱟2imc(s)中，只有一個可調(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，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。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知的一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)隨機網(wǎng)絡(luò)時延的spc和imc；其研究思路與方法，同樣也適用于被控對象數(shù)學(xué)模型已知或不確知的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(mimo-ndcs)隨機網(wǎng)絡(luò)時延的spc和imc。

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c1節(jié)點被反饋信號y1(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)點被信號e1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(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c2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)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(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)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)，且y1(s)＝y(tǒng)11(s)+y12(s)；

a3：將反饋信號y1(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器c1節(jié)點傳輸，反饋信號y1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ2后，才能到達控制器c1節(jié)點；

方式b的步驟包括：

b1：控制器c1節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y1(s)所觸發(fā)；

b2：在控制器c1節(jié)點中，將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號x1(s)，與反饋信號y1(s)相加并相減后，得到信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)+y1(s)-y1(s)＝x1(s)；

b3：將信號e1(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，信號e1(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，被信號e1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)所觸發(fā)；

c2：將信號e1(s)與反饋信號y1(s)相減得到信號e3(s)，即e3(s)＝e1(s)-y1(s)；對e3(s)實施控制算法c1(s)，得到控制信號u1(s)；

c3：將信號u1(s)作用于交叉解耦通道p21(s)單元得到其輸出信號yp21(s)；

c4：將信號yp21(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路2的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點傳輸；信號yp21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ21后，才能到達解耦執(zhí)行器da2節(jié)點；

c5：將信號u1(s)與來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點的imc信號u2(s)通過交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)相減得到信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；

c6：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)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)隨機時延τ1和τ2的補償與spc；

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，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(wǎng)絡(luò)通路向控制器c2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c2節(jié)點；

方式e的步驟包括：

e1：控制器c2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c2節(jié)點中，將閉環(huán)控制回路2的系統(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：對e2(s)實施內(nèi)?？刂扑惴╟2imc(s)，得到imc信號u2(s)；

e4：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，imc信號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)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)所觸發(fā)；

f2：將imc信號u2(s)作用于交叉解耦通道p12(s)單元得到其輸出信號yp12(s)；

f3：將信號yp12(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點傳輸；信號yp12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ12后，才能到達解耦執(zhí)行器da1節(jié)點；

f4：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)點的信號u1(s)通過交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

f5：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)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)隨機時延τ3和τ4的補償與imc。

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)隨機時延的測量、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、tito-ndcs中的控制回路1采用spc，由于從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上實現(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力，而且還可實現(xiàn)對隨機網(wǎng)絡(luò)時延的補償與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c1和c2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)通路傳輸單元和交叉解耦通道傳遞函數(shù)p21(s)和p12(s)，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)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；yp21(s)和yp12(s)表示交叉解耦通道輸出信號；u1p(s)和u2p(s)是解耦執(zhí)行器da1和da2節(jié)點的輸出驅(qū)動信號；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yp21(s)和yp12(s)向解耦執(zhí)行器da2和da1節(jié)點傳輸所經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò)通路傳輸時延；τ1和τ3表示將控制信號u1(s)和u2(s)從控制器c1和c2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c1和c2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：c1m(s)是控制回路1的控制器c1(s)的預(yù)估模型；c2mimc(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。

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

圖6：一種tito-ndcs隨機時延的spc和imc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)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)，且y1(s)＝y(tǒng)11(s)+y12(s)；

第二步：傳感器s1節(jié)點將反饋信號y1(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制器c1節(jié)點傳輸，反饋信號y1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ2后，才能到達控制器c1節(jié)點；

第三步：控制器c1節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y1(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)，與反饋信號y1(s)相加并相減后，得到信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)+y1(s)-y1(s)＝x1(s)；

第四步：將信號e1(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，信號e1(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，被信號e1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)所觸發(fā)；

第六步：當解耦執(zhí)行器da1節(jié)點被觸發(fā)后，將信號e1(s)與反饋信號y1(s)相減得到信號e3(s)，即e3(s)＝e1(s)-y1(s)；對e3(s)實施控制算法c1(s)，得到控制信號u1(s)；

第七步：將信號u1(s)作用于交叉解耦通道p21(s)單元得到其輸出信號yp21(s)；將信號yp21(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路2的解耦執(zhí)行器da2節(jié)點傳輸；信號yp21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ21后，才能到達解耦執(zhí)行器da2節(jié)點；

第八步：將信號u1(s)與來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器da2節(jié)點的imc信號u2(s)通過交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)相減得到信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；

第九步：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)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)隨機時延τ1和τ2的補償與spc；

第十步：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c2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c2節(jié)點；

第三步：控制器c2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的系統(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，imc信號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)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)所觸發(fā)；

第六步：當解耦執(zhí)行器da2節(jié)點被觸發(fā)后，將imc信號u2(s)作用于交叉解耦通道p12(s)單元得到其輸出信號yp12(s)；將信號yp12(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元，向閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器da1節(jié)點傳輸；信號yp12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時延τ12后，才能到達解耦執(zhí)行器da1節(jié)點；

第七步：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)點的信號u1(s)通過交叉解耦通道p21(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡(luò)傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

第八步：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)的解耦與控制，同時實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)隨機時延τ3和τ4的補償與imc；

第九步：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)。