一種雙輸入雙輸出ndcs(networkeddecouplingcontrolsystems，ndcs)未知時延的spc(smithpredictorcontrol，spc)方法，涉及自動控制技術(shù)，網(wǎng)絡通信技術(shù)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)絡解耦控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著網(wǎng)絡通信、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、復雜化及網(wǎng)絡化的發(fā)展，越來越多的網(wǎng)絡技術(shù)應用于控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(networkedcontrolsystems，ncs)是指基于網(wǎng)絡的實時閉環(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、遠程教學、無線網(wǎng)絡機器人、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，以及復雜、危險的工業(yè)控制領(lǐng)域也有廣闊的應用，對其研究已成為國際學術(shù)界的一個熱點課題。

在ncs中，由于網(wǎng)絡時延、數(shù)據(jù)丟包以及網(wǎng)絡擁塞等現(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)絡交換數(shù)據(jù)時，必然會導致網(wǎng)絡時延，從而會降低系統(tǒng)的性能甚至引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。

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)絡控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng)絡時延恒定、未知或隨機，網(wǎng)絡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用于mimo-ndcs的設計與分析中，給mimo-ndcs的控制與設計帶來了一定的困難。

對于mimo-ndcs，網(wǎng)絡時延補償與控制的難點主要在于：

(1)由于網(wǎng)絡時延與網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、網(wǎng)絡負載、網(wǎng)絡帶寬和數(shù)據(jù)包大小等因素有關(guān)，對大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期的未知網(wǎng)絡時延，要建立mimo-ndcs中各個控制回路的網(wǎng)絡時延準確的預測、估計或辨識的數(shù)學模型，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)絡數(shù)據(jù)過程中的網(wǎng)絡時延，在前一個節(jié)點中無論采用何種預測或估計方法，都不可能事先提前知道其后產(chǎn)生的網(wǎng)絡時延準確值。時延導致系統(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中的一種雙輸入雙輸出ndcs(tito-ndcs)未知時延的補償與控制，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)絡通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器da1節(jié)點所經(jīng)歷的網(wǎng)絡時延；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)絡未知時延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)絡通路傳輸?shù)浇怦顖?zhí)行器da2節(jié)點所經(jīng)歷的網(wǎng)絡時延；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)絡未知時延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)絡未知時延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)絡未知時延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和回路2：本發(fā)明提出兩種spc方法，構(gòu)成兩閉環(huán)控制回路網(wǎng)絡時延的補償與spc，用于免除對各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點之間未知網(wǎng)絡時延的測量、估計或辨識，進而降低網(wǎng)絡時延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未知網(wǎng)絡時延的分段、實時、在線和動態(tài)的預估補償與spc。

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)絡時延的指數(shù)項，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡時延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)絡傳輸時延預估模型以及在控制器c1節(jié)點中圍繞控制器c1(s)，構(gòu)造一個正反饋預估控制回路和一個負反饋預估控制回路；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)絡時延準確值的問題，在圖4中要實現(xiàn)對網(wǎng)絡時延的補償與spc，除了要滿足被控對象預估模型等于其真實模型的條件外，還必須滿足未知網(wǎng)絡時延預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)絡數(shù)據(jù)傳輸過程以及代替其間網(wǎng)絡時延預估補償模型以及因而無論被控對象的預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)絡時延的預估補償模型，從而免除對閉環(huán)控制回路1中，節(jié)點之間未知網(wǎng)絡時延r1和τ2的測量、估計或辨識；實施本發(fā)明方法的網(wǎng)絡時延補償與spc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：為了實現(xiàn)滿足預估補償條件時，閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)特征方程不再包含網(wǎng)絡時延指數(shù)項，以實現(xiàn)對網(wǎng)絡未知時延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)絡傳輸時延預估模型和預估控制器c2m(s)以及網(wǎng)絡傳輸時延預估模型構(gòu)造一個正反饋預估控制回路；與此同時，將y2(s)通過預估控制器c2m(s)構(gòu)造一個負反饋預估控制回路，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)絡時延準確值的問題，在圖4中要實現(xiàn)對網(wǎng)絡時延的補償與控制，必須滿足網(wǎng)絡時延預估模型和要等于其真實模型和的條件，以及滿足預估控制器c2m(s)等于其控制器c2(s)的條件(由于控制器c2(s)是人為設計與選擇，自然滿足c2m(s)＝c2(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)絡數(shù)據(jù)傳輸過程和代替其間網(wǎng)絡時延的預估補償模型和得到圖5所示的網(wǎng)絡未知時延補償與控制結(jié)構(gòu)；

第三步：將圖5中控制器c2(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)絡時延補償與spc控制結(jié)構(gòu)。

在此需要特別說明的是，在圖6的控制器c2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c2節(jié)點中：

(1)這是由于將圖5中的控制器c2(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”導致“零”信號值就變成不存在，或沒有意義；

(4)控制器c2節(jié)點的觸發(fā)，就來自于信號y2(s)的驅(qū)動，如果控制器c2節(jié)點沒有接收到來自反饋網(wǎng)絡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：g11m(s)是被控對象g11(s)的預估模型，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，當被控對象預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)特征方程由變成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)絡未知時延τ1和τ2的指數(shù)項和從而可降低網(wǎng)絡時延對系統(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)對未知網(wǎng)絡時延的動態(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：c2(s)是控制器。

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的閉環(huán)特征方程為1+c2(s)g22(s)＝0，閉環(huán)特征方程中不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的未知網(wǎng)絡時延τ3和τ4的指數(shù)項和從而可降低網(wǎng)絡時延對系統(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)對未知網(wǎng)絡時延的動態(tài)補償與spc。

在閉環(huán)控制回路1和回路2中，控制器c1(s)和c2(s)的選擇：

控制器c1(s)和c2(s)可根據(jù)被控對象g11(s)和g22(s)及g21(s)和g12(s)的數(shù)學模型，以及其模型參數(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雜控制策略；可從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)與具體控制器c1(s)和c2(s)的控制策略的選擇無關(guān)。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于被控對象預估模型等于其真實模型，或預估模型與其真實模型之間存在一定的偏差時采用控制回路1的spc；以及被控對象數(shù)學模型已知或不確知時采用控制回路2的spc；所構(gòu)成的一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡解耦控制系統(tǒng)(tito-ndcs)未知網(wǎng)絡時延的補償與控制；其研究思路與方法，同樣也適用于被控對象預估模型等于其真實模型，或預估模型與其真實模型之間存在一定的偏差時采用控制回路1的spc；以及被控對象數(shù)學模型已知或不確知時采用控制回路2的spc；所構(gòu)成的多輸入多輸出網(wǎng)絡解耦控制系統(tǒng)(mimo-ndcs)未知網(wǎng)絡時延的補償與控制。

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c1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)點被信號u1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡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)點被信號e2(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡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)，以及解耦執(zhí)行器a1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)絡通路向控制器c1節(jié)點傳輸，反饋信號y1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延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y1b(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)，減去反饋信號y1b(s)和被控對象預估模型g11m(s)的輸出值y11ma(s)，得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)；

b3：對e1(s)實施控制算法c1(s)，得到控制信號u1(s)；

b4：將控制信號u1(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡通路單元向解耦執(zhí)行器da1節(jié)點傳輸，信號u1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延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u1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)所觸發(fā)；

c2：將信號u1(s)作用于被控對象預估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(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)點的信號u2(s)通過交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡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)絡未知時延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：將信號e2(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡通路單元向解耦執(zhí)行器da2節(jié)點傳輸，e2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延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，被信號e2(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)所觸發(fā)；

f2：將信號e2(s)與反饋信號y2(s)相減得到信號e3(s)，即e3(s)＝e2(s)-y2(s)；對e3(s)實施控制算法c2(s)，得到控制信號u2(s)；

f3：將信號u2(s)作用于交叉解耦通道p12(s)單元得到其輸出信號yp12(s)；

f4：將信號yp12(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡傳輸通道單元，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)絡傳輸時延τ12后，才能到達解耦執(zhí)行器da1節(jié)點；

f5：將信號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)；

f6：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)絡未知時延τ3和τ4的補償與spc。

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，未知網(wǎng)絡時延的測量、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)絡通信協(xié)議的選擇無關(guān)，因而既適用于采用有線網(wǎng)絡協(xié)議的tito-ndcs，亦適用于采用無線網(wǎng)絡協(xié)議的tito-ndcs；既適用于確定性網(wǎng)絡協(xié)議，亦適用于非確定性的網(wǎng)絡協(xié)議；既適用于異構(gòu)網(wǎng)絡構(gòu)成的tito-ndcs，同時亦適用于異質(zhì)網(wǎng)絡構(gòu)成的tito-ndcs。

3、由于從tito-ndcs結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)與具體控制器c1(s)和c2(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雜控制策略的tito-ndcs。

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)絡通路傳輸單元以及反饋網(wǎng)絡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)絡通路傳輸時延單元，以及r個反饋網(wǎng)絡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)絡通路傳輸單元和以及反饋網(wǎng)絡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)絡通路傳輸時延。

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

圖4中：g11m(s)是被控對象g11(s)的預估模型；c2m(s)是控制回路2控制器c2(s)的預估模型；以及是網(wǎng)絡傳輸時延以及的預估時延模型；以及是網(wǎng)絡傳輸時延以及的預估時延模型。

圖5：用真實模型代替預估模型的時延補償與控制結(jié)構(gòu)

圖6：一種雙輸入雙輸出ndcs未知時延的spc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)，以及執(zhí)行器a1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)絡通路向控制器c1節(jié)點傳輸，反饋信號y1b(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延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)和被控對象預估模型g11m(s)的輸出值y11ma(s)，得到偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y11ma(s)；對e1(s)實施控制算法c1(s)，得到控制信號u1(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)絡通路單元向解耦執(zhí)行器da1節(jié)點傳輸，信號u1(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延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u1(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡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u1(s)作用于被控對象預估模型g11m(s)得到其輸出值y11mb(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)點的信號u2(s)通過交叉解耦通道p12(s)單元及交叉解耦網(wǎng)絡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)對未知網(wǎng)絡時延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)；

第四步：將信號e2(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡通路單元向解耦執(zhí)行器da2節(jié)點傳輸，e2(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延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，被信號e2(s)或者被來自交叉解耦網(wǎng)絡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，將信號e2(s)與反饋信號y2(s)相減得到信號e3(s)，即e3(s)＝e2(s)-y2(s)；對e3(s)實施控制算法c2(s)，得到控制信號u2(s)；將信號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)絡傳輸時延τ12后，才能到達解耦執(zhí)行器da1節(jié)點；

第七步：將控制信號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)對未知網(wǎng)絡時延τ3和τ4的補償與spc；

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)。