一種兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)時(shí)變網(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)：

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)(Networked control systems，NCS)，NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

NCS與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)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(jiǎn)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(chǎng)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(duì)其研究正成為國(guó)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(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，從而會(huì)降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)的不穩(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)和通訊設(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，將導(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(duì)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)。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(píng)估才能應(yīng)用到NCS中。

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(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模或穩(wěn)定性分析與控制。但針對(duì)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-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)償與控制的研究成果則相對(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和MIMO-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(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)采樣周期的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，要建立MIMO-NDCS中各個(gè)控制回路的時(shí)變網(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(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(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)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中的一種兩輸入兩輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)時(shí)變網(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(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)是控制器，G₁₁(s)是被控對(duì)象；τ₁表示將控制器C節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)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)歷的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；τ₂表示將傳感器S1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y₁(s)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)娇刂破鰿節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)變網(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(hào)u_p2(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)P₁₂(s)和被控對(duì)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(hào)u_p2(s)到輸出信號(hào)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)和(2)的分母中，包含了時(shí)變網(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)是控制器，G₂₂(s)是被控對(duì)象；τ₃表示將控制器C節(jié)點(diǎn)的控制輸出信號(hào)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)歷的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延；τ₄表示將傳感器S2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y₂(s)，經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸?shù)娇刂破鰿節(jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)變網(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(hào)u_p1(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)P₂₁(s)和被控對(duì)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(hào)u_p1(s)到輸出信號(hào)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)和(4)的分母中，包含了時(shí)變網(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，均包含了時(shí)變網(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，均包含了時(shí)變網(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，本發(fā)明提出一種基于IMC的時(shí)延補(bǔ)償方法，免除對(duì)各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點(diǎn)之間時(shí)變網(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)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時(shí)變網(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IMC。

采用方法：

針對(duì)圖3中的閉環(huán)控制回路1：

第一步：在控制器C節(jié)點(diǎn)中，首先構(gòu)建一個(gè)內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)用于取代控制器C₁(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，采用以控制信號(hào)u₁(s)和u_p2m(s)作為輸入信號(hào)，被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)和G_12m(s)及交叉預(yù)估解耦模型P_12m(s)作為被控及解耦過程，控制與過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延預(yù)估模型以及圍繞內(nèi)模控制器C_1IMC(s)，構(gòu)造一個(gè)正反饋預(yù)估控制回路和一個(gè)負(fù)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，還必須滿足時(shí)變網(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，以及滿足預(yù)估解耦模型P_12m(s)等于其真實(shí)解耦模型P₁₂(s)的條件(由于解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)是人為設(shè)計(jì)與選擇，自然滿足P_12m(s)＝P₁₂(s))；為此，從傳感器S1節(jié)點(diǎn)到控制器C節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制器C節(jié)點(diǎn)到解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)之間，采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網(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)之間時(shí)變網(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)其時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂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5所示；

針對(duì)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，首先構(gòu)建一個(gè)內(nèi)?？刂破鰿_2IMC(s)用于取代控制器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τ₃和τ₄的補(bǔ)償與控制，采用以控制信號(hào)u₂(s)和u_p1m(s)作為輸入信號(hào)，被控對(duì)象預(yù)估模型G_22m(s)和G_21m(s)及交叉預(yù)估解耦模型P_21m(s)作為被控及解耦過程，控制與過程數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延預(yù)估模型以及圍繞內(nèi)?？刂破鰿_2IMC(s)，構(gòu)造一個(gè)正反饋預(yù)估控制回路和一個(gè)負(fù)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，還必須滿足時(shí)變網(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，以及滿足預(yù)估解耦模型P_21m(s)等于其真實(shí)解耦模型P₂₁(s)的條件(由于解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)是人為設(shè)計(jì)與選擇，自然滿足P_21m(s)＝P₂₁(s))；為此，從傳感器S2節(jié)點(diǎn)到控制器C節(jié)點(diǎn)之間，以及從控制器C節(jié)點(diǎn)到解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)之間，采用真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網(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2中，節(jié)點(diǎn)之間時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄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)其時(shí)變網(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5所示。

對(duì)于圖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)?？刂破鳌?/p>

2)來自控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)中，閉環(huán)控制回路2的內(nèi)?？刂破鰿_2IMC(s)的輸出信號(hào)u₂(s)與交叉解耦通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型P_21m(s)的輸出信號(hào)y_p21m(s)相減后得到信號(hào)u_p2m(s)，即u_p2m(s)＝u₂(s)-y_p21m(s)；將u_p2m(s)作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號(hào)u_p2m(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間的閉環(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(diǎn)中的解耦控制信號(hào)u_p2(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)P₁₂(s)，以及通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)和其預(yù)估模型G_12m(s)作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號(hào)u_p2(s)到輸出信號(hào)y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，當(dāng)G_11m(s)＝G₁₁(s)時(shí)，閉環(huán)控制回路1的閉環(huán)傳遞函數(shù)分母將由變成1。

此時(shí)，閉環(huán)控制回路1相當(dāng)于一個(gè)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(shí)延τ₁和τ₂的指數(shù)項(xiàng)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅與被控對(duì)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(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)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與IMC。

對(duì)于圖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：

式中：G_22m(s)是被控對(duì)象G₂₂(s)的預(yù)估模型；C_2IMC(s)是內(nèi)模控制器。

2)來自控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)中，閉環(huán)控制回路1的內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)輸出信號(hào)u₁(s)與交叉解耦通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型P_12m(s)的輸出信號(hào)y_p12m(s)相減后得到信號(hào)u_p1m(s)，即u_p1m(s)＝u₁(s)-y_p12m(s)；將u_p1m(s)作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號(hào)u_p1m(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路1的解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)中的解耦控制信號(hào)u_p1(s)，通過交叉解耦通路傳遞函數(shù)P₂₁(s)，以及通過被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)和其預(yù)估模型G_21m(s)作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號(hào)u_p1(s)到輸出信號(hào)y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

采用本發(fā)明方法，當(dāng)G_22m(s)＝G₂₂(s)時(shí)，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)傳遞函數(shù)分母將由變成1。

此時(shí)，閉環(huán)控制回路2相當(dāng)于一個(gè)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(shí)延τ₃和τ₄的指數(shù)項(xiàng)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性僅與被控對(duì)象和內(nèi)模控制器本身的穩(wěn)定性有關(guān)；從而可降低網(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)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與IMC。

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)模控制器C_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)?？刂破鰿_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。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型的一種兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與IMC；其研究思路與方法，同樣適用于被控對(duì)象預(yù)估模型等于其真實(shí)模型的兩個(gè)以上輸入和輸出所構(gòu)成的多輸入多輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)(MIMO-NDCS)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與IMC。

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)控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y_1b(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IMC信號(hào)u₁(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)控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)被反饋信號(hào)y_2b(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(hào)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(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)，以及解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_11mb(s)和y_12mb(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)-y_12mb(s)；

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

方式B的步驟包括：

B1：控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_1b(s)所觸發(fā)；

B2：在控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)中，將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號(hào)x₁(s)與反饋信號(hào)y_1b(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)的輸出值y_12ma(s)相減，再加上被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)的輸出值y_11ma(s)，得到系統(tǒng)偏差信號(hào)e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y_1b(s)-y_12ma(s)+y_11ma(s)；

B3：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)與預(yù)解耦交叉通道傳遞函數(shù)P_12m(s)的輸出信號(hào)y_p12m(s)相減，得到預(yù)解耦信號(hào)u_p1m(s)，即u_p1m(s)＝u₁(s)-y_p12m(s)；

B5：將來自控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)閉環(huán)控制回路2中的預(yù)解耦信號(hào)u_p2m(s)作用于閉環(huán)控制回路1的被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出信號(hào)y_12ma(s)；將預(yù)解耦信號(hào)u_p2m(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型P_12m(s)得到其輸出信號(hào)y_p12m(s)；將y_p12m(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)；

B6：將IMC信號(hào)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(diǎn)傳輸，u₁(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₁后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)；

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(dòng)方式，被IMC信號(hào)u₁(s)所觸發(fā)；

C2：將來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于閉環(huán)控制回路1的解耦交叉通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出值y_p12(s)；將IMC信號(hào)u₁(s)與y_p12(s)相減，得到控制回路1的解耦輸出信號(hào)u_p1(s)，即u_p1(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

C3：將來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)中的預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出值y_12mb(s)；

C4：將解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11mb(s)；

C5：將解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于被控對(duì)象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將信號(hào)u_p1(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IMC，并實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變網(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(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)輸出信號(hào)y₂₂(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)輸出信號(hào)y₂₁(s)，以及解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_22mb(s)和y_21mb(s)進(jìn)行采樣，并計(jì)算出閉環(huán)控制回路2系統(tǒng)輸出信號(hào)y₂(s)和反饋信號(hào)y_2b(s)，且y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)和y_2b(s)＝y(tǒng)₂(s)-y_22mb(s)-y_21mb(s)；

D3：傳感器S2節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y_2b(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y_2b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₄后，才能到達(dá)控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)；

方式E的步驟包括：

E1：控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_2b(s)所觸發(fā)；

E2：在控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)中，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號(hào)x₂(s)與反饋信號(hào)y_2b(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)的輸出值y_21ma(s)相減，再加上被控對(duì)象預(yù)估模型G_22m(s)的輸出值y_22ma(s)，得到系統(tǒng)偏差信號(hào)e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y_2b(s)-y_21ma(s)+y_22ma(s)；

E3：對(duì)e₂(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_2IMC(s)，得到IMC信號(hào)u₂(s)；

E4：將IMC信號(hào)u₂(s)與預(yù)解耦交叉通道傳遞函數(shù)P_21m(s)的輸出信號(hào)y_p21m(s)相減，得到預(yù)解耦信號(hào)u_p2m(s)，即u_p2m(s)＝u₂(s)-y_p21m(s)；

E5：將來自控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)閉環(huán)控制回路1中的預(yù)解耦信號(hào)u_p1m(s)作用于閉環(huán)控制回路2的被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)得到其輸出信號(hào)y_21ma(s)；將預(yù)解耦信號(hào)u_p1m(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型P_21m(s)得到其輸出信號(hào)y_p21m(s)；將y_p21m(s)作用于被控對(duì)象預(yù)估模型G_22m(s)得到其輸出值y_22ma(s)；

E6：將IMC信號(hào)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(diǎn)傳輸，u₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₃后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)；

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(dòng)方式，被IMC信號(hào)u₂(s)所觸發(fā)；

F2：將來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于閉環(huán)控制回路2的解耦交叉通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)得到其輸出值y_p21(s)；將IMC信號(hào)u₂(s)與y_p21(s)相減，得到控制回路2的解耦輸出信號(hào)u_p2(s)，即u_p2(s)＝u₂(s)-y_p21(s)；

F3：將來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)中的預(yù)估模型G_21m(s)得到其輸出值y_21mb(s)；

F4：將解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_22m(s)得到其輸出值y_22mb(s)；

F5：將解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于被控對(duì)象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號(hào)u_p2(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IMC，并實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變網(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(duì)TITO-NDCS中，時(shí)變網(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(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、采用IMC的TITO-NDCS，其內(nèi)?？刂破鰿_1IMC(s)和C_2IMC(s)的可調(diào)參數(shù)只有λ₁和λ₂，參數(shù)的調(diào)節(jié)與選擇簡(jiǎn)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(duì)系統(tǒng)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與控制。

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)，控制器C節(jié)點(diǎn)，m個(gè)解耦執(zhí)行器DA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)表示第i個(gè)控制信號(hào)；表示將控制信號(hào)u_i(s)從控制器C節(jié)點(diǎn)向第i個(gè)解耦執(zhí)行器DA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中，系統(tǒng)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)，控制器C節(jié)點(diǎn)，解耦執(zhí)行器DA1和DA2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)；u_p1(s)和u_p2(s)表示控制解耦信號(hào)；τ₁和τ₃表示將控制信號(hào)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(cè)信號(hào)y₁(s)和y₂(s)向控制器C節(jié)點(diǎn)傳輸所經(jīng)歷反饋網(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)變時(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)估時(shí)延模型；以及是網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延以及的預(yù)估時(shí)延模型；G_11m(s)和G_22m(s)是被控對(duì)象傳遞函數(shù)G₁₁(s)和G₂₂(s)的預(yù)估模型；G_12m(s)和G_21m(s)是被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)和G₂₁(s)的預(yù)估模型；P_12m(s)和P_21m(s)是交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)和P₁₂(s)的預(yù)估模型；C_1IMC(s)和C_2IMC(s)是內(nèi)模控制器。

圖5：一種兩輸入輸出網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)時(shí)變網(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中時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的補(bǔ)償與IMC。

具體實(shí)施方式

下面將通過參照附圖5來詳細(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，被采樣周期為h₁的信號(hào)所觸發(fā)；當(dāng)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)，以及解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_11mb(s)和y_12mb(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)-y_12mb(s)；

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

第三步：控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_1b(s)觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路1的系統(tǒng)給定信號(hào)x₁(s)與反饋信號(hào)y_1b(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)的輸出值y_12ma(s)相減，再加上被控對(duì)象預(yù)估模型G_11m(s)的輸出值y_11ma(s)，得到系統(tǒng)偏差信號(hào)e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y_1b(s)-y_12ma(s)+y_11ma(s)；對(duì)e₁(s)實(shí)施內(nèi)?？刂扑惴–_1IMC(s)，得到IMC信號(hào)u₁(s)；

第四步：將IMC信號(hào)u₁(s)與預(yù)解耦交叉通道傳遞函數(shù)P_12m(s)的輸出信號(hào)y_p12m(s)相減，得到預(yù)解耦信號(hào)u_p1m(s)，即u_p1m(s)＝u₁(s)-y_p12m(s)；

第五步：將來自控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)閉環(huán)控制回路2中的預(yù)解耦信號(hào)u_p2m(s)作用于閉環(huán)控制回路1的被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出信號(hào)y_12ma(s)；將預(yù)解耦信號(hào)u_p2m(s)作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型P_12m(s)得到其輸出信號(hào)y_p12m(s)；將y_p12m(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)；

第六步：將IMC信號(hào)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(diǎn)傳輸，u₁(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₁后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)；

第七步：解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被IMC信號(hào)u₁(s)所觸發(fā)后，將來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于閉環(huán)控制回路1的解耦交叉通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出值y_p12(s)；將IMC信號(hào)u₁(s)與y_p12(s)相減，得到控制回路1的解耦輸出信號(hào)u_p1(s)，即u_p1(s)＝u₁(s)-y_p12(s)；

第八步：將來自于閉環(huán)控制回路2解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)中的預(yù)估模型G_12m(s)得到其輸出值y_12mb(s)；

第九步：將解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_11m(s)得到其輸出值y_11mb(s)；

第十步：將解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于被控對(duì)象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將信號(hào)u_p1(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IMC，并實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₁和τ₂的補(bǔ)償與控制；

第十一步：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，被采樣周期為h₂的信號(hào)所觸發(fā)；當(dāng)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)，以及解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)y_22mb(s)和y_21mb(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(hào)y₂(s)和反饋信號(hào)y_2b(s)，且y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)和y_2b(s)＝y(tǒng)₂(s)-y_22mb(s)-y_21mb(s)；

第二步：傳感器S2節(jié)點(diǎn)將反饋信號(hào)y_2b(s)，通過閉環(huán)控制回路2的反饋網(wǎng)絡(luò)通路向控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)傳輸，反饋信號(hào)y_2b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₄后，才能到達(dá)控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)；

第三步：控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被反饋信號(hào)y_2b(s)觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號(hào)x₂(s)與反饋信號(hào)y_2b(s)和被控對(duì)象交叉通道傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_21m(s)的輸出值y_21ma(s)相減，再加上被控對(duì)象預(yù)估模型G_22m(s)的輸出值y_22ma(s)，得到系統(tǒng)偏差信號(hào)e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y_2b(s)-y_21ma(s)+y_22ma(s)；對(duì)e₂(s)實(shí)施內(nèi)模控制算法C_2IMC(s)，得到IMC信號(hào)u₂(s)；

第四步：將IMC信號(hào)u₂(s)與預(yù)解耦交叉通道傳遞函數(shù)P_21m(s)的輸出信號(hào)y_p21m(s)相減，得到預(yù)解耦信號(hào)u_p2m(s)，即u_p2m(s)＝u₂(s)-y_p21m(s)；

第五步：將來自控制預(yù)解耦器CPD節(jié)點(diǎn)閉環(huán)控制回路1中的預(yù)解耦信號(hào)u_p1m(s)作用于閉環(huán)控制回路2

第六步：將IMC信號(hào)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(diǎn)傳輸，u₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ₃后，才能到達(dá)解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)；

第七步：解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式，被IMC信號(hào)u₂(s)所觸發(fā)后，將來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于閉環(huán)控制回路2的解耦交叉通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)得到其輸出值y_p21(s)；將IMC信號(hào)u₂(s)與y_p21(s)相減，得到控制回路2的解耦輸出信號(hào)u_p2(s)，即u_p2(s)＝u₂(s)-y_p21(s)；

第八步：將來自于閉環(huán)控制回路1解耦執(zhí)行器DA1節(jié)點(diǎn)的解耦輸出信號(hào)u_p1(s)，作用于解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)中的預(yù)估模型G_21m(s)得到其輸出值y_21mb(s)；

第九步：將解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于被控對(duì)象傳遞函數(shù)預(yù)估模型G_22m(s)得到其輸出值y_22mb(s)；

第十步：將解耦執(zhí)行器DA2節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)u_p2(s)，作用于被控對(duì)象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號(hào)u_p2(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IMC，并實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)時(shí)延τ₃和τ₄的補(bǔ)償與控制；

第十一步：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)。