一種二輸入二輸出網絡控制系統時延補償SPC和IMC方法與流程

2023-07-20 00:32:41 3

一種二輸入二輸出網絡控制系統時延補償SPC(Smith Predictor Control，SPC)和IMC(Internal Model Control，IMC)方法，涉及自動控制技術，網絡通信技術和計算機技術的交叉領域，尤其涉及帶寬資源有限的多輸入多輸出網絡控制系統技術領域。

背景技術：

隨著網絡通信、計算機和控制技術的發展，以及生產過程控制日益大型化、廣域化、複雜化及網絡化的發展，越來越多的網絡技術應用於控制系統。網絡控制系統(Networked control systems，NCS)是指基於網絡的實時閉環反饋控制系統，NCS的典型結構如圖1所示。

NCS可實現複雜大系統及遠程控制，節點資源共享，增加系統的柔性和可靠性，近年來已被廣泛應用於複雜工業過程控制、電力系統、石油化工、軌道交通、航空航天、環境監測等多個領域。

在NCS中，當傳感器、控制器和執行器通過網絡交換數據時，網絡可能存在多包傳輸、多路徑傳輸、數據碰撞，網絡擁塞甚至連接中斷等現象，使得NCS面臨諸多新的挑戰。尤其是網絡時延的存在，可降低NCS的控制質量，甚至使系統失去穩定性，嚴重時可能導致系統出現故障。

目前，國內外對於NCS的研究，主要是針對單輸入單輸出(Single-input and single-output，SISO)網絡控制系統，分別在網絡時延恆定、未知或隨機，網絡時延小於一個採樣周期或大於一個採樣周期，單包傳輸或多包傳輸，有無數據包丟失等情況下，對其進行數學建模或穩定性分析與控制。但是，針對實際工業過程中，普遍存在的至少包含兩個輸入與兩個輸出(Two-input and two-output，TITO)所構成的多輸入多輸出(Multiple-input and multiple-output，MIMO)網絡控制系統的研究則相對較少，尤其是針對基於其系統結構的時延補償方法的研究成果則相對更少。

MIMO-NCS的典型結構如圖2所示。

與SISO-NCS相比，MIMO-NCS具有以下特點：

(1)輸入信號與輸出信號之間彼此影響並可能產生耦合作用

在MIMO-NCS中，一個輸入信號的變化可以使得多個輸出信號發生變化，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過精心選擇配對，各控制迴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。

(2)內部結構要比SISO-NCS複雜得多

(3)被控對象存在不確定性的因素較多

在MIMO-NCS中，涉及的參數較多，各控制迴路間的聯繫較多，被控對象參數變化對整體控制性能的影響會變得較為複雜。

(4)控制部件失效的可能性較大

在MIMO-NCS中，至少包含有兩個或兩個以上的閉環控制迴路，並且至少包含有兩個或兩個以上的傳感器和執行器。每一個元件的失效都可能影響整個控制系統的性能質量，嚴重時會使系統不穩定，甚至造成重大事故。

由於MIMO-NCS的上述特殊性，使得基於SISO-NCS進行設計與控制的方法，已無法滿足MIMO-NCS的控制性能與控制質量的要求，使其不能或不能直接應用於MIMO-NCS的設計與控制中，給MIMO-NCS的設計與分析帶來了困難。

對於MIMO-NCS，網絡時延補償與控制的難點主要在於：

(1)由於網絡時延與網絡拓撲結構、通信協議、網絡負載、網絡帶寬和數據包大小等因素有關，對大於數個乃至數十個採樣周期的網絡時延，要建立MIMO-NCS中各個控制迴路的網絡時延準確的預測、估計或辨識的數學模型，目前是有困難的。

(2)發生在MIMO-NCS中，前一個節點向後一個節點傳輸網絡數據過程中的網絡時延，在前一個節點中無論採用何種預測或估計方法，都不可能事先提前知道其後產生的網絡時延的準確值。時延導致系統性能下降甚至造成系統不穩定，同時也給控制系統的分析與設計帶來了困難。

(3)要滿足MIMO-NCS中，不同分布地點的所有節點時鐘信號完全同步是不現實的。

(4)由於MIMO-NCS中，輸入與輸出信號之間彼此影響，並可能產生耦合作用，系統內部的結構比SISO-NCS複雜，存在的不確定性因素較多，各控制迴路的控制性能質量優劣與其穩定性問題將對整個系統的性能質量與穩定性產生影響和制約，其實施時延補償與控制要比SISO-NCS困難得多。

技術實現要素：

本發明涉及MIMO-NCS中的一種二輸入二輸出網絡控制系統(TITO-NCS)網絡時延的補償與控制，其TITO-NCS的典型結構如圖3所示。

針對圖3中的閉環控制迴路1：

1)從輸入信號x1(s)到輸出信號y1(s)之間的閉環傳遞函數為：

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節點，經前向網絡通路傳輸到執行器A1節點所經歷的網絡時延；τ2表示將輸出信號y1(s)從傳感器S1節點，經反饋網絡通路傳輸到C1(s)控制器所在的C1節點所經歷的網絡時延。

2)來自閉環控制迴路2執行器A2節點輸出的驅動信號u2(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)影響閉環控制迴路1的輸出信號y1(s)，從輸入信號u2(s)到輸出信號y1(s)之間閉環傳遞函數為：

上述閉環傳遞函數等式(1)和(2)的分母中，包含了網絡時延τ1和τ2的指數項和時延的存在將惡化控制系統的性能質量，甚至導致系統失去穩定性。

針對圖3中的閉環控制迴路2：

1)從輸入信號x2(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：

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節點，經前向網絡通路傳輸到執行器A2節點所經歷的網絡時延；τ4表示將輸出信號y2(s)從傳感器S2節點，經反饋網絡通路傳輸到C2(s)控制器所在的C2節點所經歷的網絡時延。

2)來自閉環控制迴路1執行器A1節點輸出的驅動信號u1(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)影響閉環控制迴路2的輸出信號y2(s)，從輸入信號u1(s)到輸出信號y2(s)之間閉環傳遞函數為：

上述閉環傳遞函數等式(3)和(4)的分母中，包含了網絡時延τ3和τ4的指數項和時延的存在將惡化控制系統的性能質量，甚至導致系統失去穩定性。

發明目的：

針對圖3的TITO-NCS，其閉環控制迴路1的傳遞函數等式(1)和(2)的分母中，均包含了網絡時延τ1和τ2的指數項和以及閉環控制迴路2的傳遞函數等式(3)和(4)的分母中，均包含了網絡時延τ3和τ4的指數項和

由於閉環控制迴路1的輸出信號y1(s)不僅受到其輸入信號x1(s)的影響，同時還受到閉環控制迴路2的輸入信號x2(s)的影響；與此同時，閉環控制迴路2的輸出信號y2(s)不僅受到其輸入信號x2(s)的影響，同時也受到閉環控制迴路1的輸入信號x1(s)的影響。網絡時延的存在會降低各自閉環控制迴路的控制性能質量並影響各自閉環控制迴路的穩定性，同時也將降低整個系統的控制性能質量並影響整個系統的穩定性，嚴重時將導致整個系統失去穩定性。

為此，針對圖3中的閉環控制迴路1：本發明提出一種基於動態前饋加SPC(Smith Predictor Control)的時延補償方法；針對閉環控制迴路2：本發明提出一種動態前饋加IMC(Internal Model Control)的時延補償方法；構成兩閉環控制迴路網絡時延的補償與控制，用於免除對各閉環控制迴路中，節點之間網絡時延的測量、估計或辨識，進而降低網絡時延τ1和τ2，以及τ3和τ4對各自閉環控制迴路以及對整個控制系統控制性能質量與系統穩定性的影響；可實現各自閉環控制迴路的特徵方程中不包含網絡時延的指數項，進而可降低網絡時延對整個系統穩定性的影響，改善系統的動態性能質量，實現對TITO-NCS網絡時延的分段、實時、在線和動態的預估補償與SPC和IMC。

採用方法：

針對圖3中的閉環控制迴路1：

第一步：為了實現滿足預估補償條件時，閉環控制迴路1的閉環特徵方程中不再包含網絡時延的指數項，以實現對網絡時延τ1和τ2的補償與控制，在控制器C1節點中，採用以控制信號u1(s)作為輸入信號，被控對象預估模型G11m(s)作為被控過程，控制與過程數據通過網絡傳輸時延預估模型以及圍繞控制器C1(s)，構造一個正反饋預估控制迴路和一個負反饋預估控制迴路；在被控對象G11(s)端，構建一個動態前饋控制器D12(s)，用於降低來自閉環控制迴路2的幹擾信號u2p(s)通過交叉幹擾通道G12(s)對閉環控制迴路1動態性能的影響，同時D12(s)兼有解耦控制作用；實施本步驟的結構如圖4所示；

第二步：針對實際TITO-NCS中，難以獲取網絡時延準確值的問題，在圖4中要實現對網絡時延的補償與IMC，除了要滿足被控對象預估模型等於其真實模型的條件外，還必須滿足網絡時延預估模型以及要等於其真實模型以及的條件。為此，從傳感器S1節點到控制器C1節點之間，以及從控制器C1節點到執行器A1節點之間，採用真實的網絡數據傳輸過程以及代替其間網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於其真實模型，都可以從系統結構上實現不包含其間網絡時延的預估補償模型，從而免除對閉環控制迴路1中，節點之間網絡時延τ1和τ2的測量、估計或辨識；當預估模型等於其真實模型時，可實現對其網絡時延τ1和τ2的補償與SPC；實施本發明方法的網絡時延補償與SPC結構如圖5所示；

針對圖3中的閉環控制迴路2：

第一步：在控制器C2節點中，構建一個內模控制器C2IMC(s)取代控制器C2(s)；為了實現滿足預估補償條件時，閉環控制迴路2的閉環特徵方程不再包含網絡時延指數項，以實現對網絡時延τ3和τ4的補償與控制，圍繞被控對象G22(s)，以閉環控制迴路2輸出y2(s)作為輸入信號，將y2(s)通過網絡傳輸時延預估模型和預估內模控制器C2mIMC(s)以及網絡傳輸時延預估模型構造一個正反饋預估控制迴路；與此同時，在被控對象G22(s)端，構建一個動態前饋控制器D21(s)，用於降低來自閉環控制迴路1的幹擾信號u1p(s)通過交叉幹擾通道G21(s)對閉環控制迴路2動態性能的影響，同時D21(s)兼有解耦控制作用；實施本步驟的結構如圖4所示；

第二步：針對實際TITO-NCS中，難以獲取網絡時延準確值的問題，在圖4中要實現對網絡時延的補償與控制，必須滿足網絡時延預估模型和要等於其真實模型和的條件，以及滿足預估內模控制器C2mIMC(s)等於其內模控制器C2IMC(s)的條件(由於內模控制器C2IMC(s)是人為設計與選擇，自然滿足C2mIMC(s)＝C2IMC(s))。為此，從傳感器S2節點到控制器C2節點之間，以及從控制器C2節點到執行器A2節點之間，採用真實的網絡數據傳輸過程和代替其間網絡時延的預估補償模型和得到圖5所示的網絡時延補償與控制結構；

第三步：將圖5中內模控制器C2IMC(s)，按傳遞函數等價變換規則進一步化簡，得到圖6所示的實施本發明方法的網絡時延補償與控制結構；從結構上實現系統不包含其間網絡時延的預估補償模型，從而免除對閉環控制迴路2中，節點之間網絡時延τ3和τ4的測量、估計或辨識，可實現對網絡時延τ3和τ4的補償與IMC；實施本發明方法的網絡時延補償與IMC結構如圖6所示。

在此需要特別說明的是，在圖6的控制器C2節點中，出現了閉環控制迴路2的給定信號x2(s)，與其反饋信號y2(s)實施先「減」後「加」，或先「加」後「減」的運算規則，即y2(s)信號同時經過正反饋和負反饋連接到控制器C2節點中：

(1)這是由於將圖5中的內模控制器C2IMC(s)，按照傳遞函數等價變換規則進一步化簡得到圖6所示的結果，並非人為設置；

(2)由於NCS的節點幾乎都是智能節點，不僅具有通信與運算功能，而且還具有存儲與控制等功能，在節點中對同一個信號進行先「減」後「加」，或先「加」後「減」，這在運算法則上不會有什麼不符合規則之處；

(3)在節點中對同一個信號進行「加」與「減」運算其結果值為「零」，這個「零」值，並不表明在該節點中信號y2(s)就不存在，或沒有得到y2(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節點的觸發就來自於信號y2(s)的驅動，如果控制器C2節點沒有接收到來自反饋網絡通路傳輸過來的信號y2(s)，則處於事件驅動工作方式的控制器C2節點將不會被觸發。

對於圖6中的閉環控制迴路1：

1)從輸入信號x1(s)到輸出信號y1(s)之間的閉環傳遞函數為：

式中：G11m(s)是被控對象G11(s)的預估模型；C1(s)是控制器。

2)來自於閉環控制迴路2中執行器A2節點的信號u2p(s)，通過動態前饋控制器D12(s)作用於閉環控制迴路1；與此同時，信號u2p(s)通過交叉幹擾通道G12(s)作用於閉環控制迴路1；從輸入信號u2p(s)到輸出信號y1(s)之間的閉環傳遞函數為：

採用本發明方法，當被控對象預估模型等於其真實模型，即當G11m(s)＝G11(s)時，閉環控制迴路1的閉環特徵方程由變成1+C1(s)G11(s)＝0，其閉環特徵方程中已經不再包含影響系統穩定性的網絡時延τ1和τ2的指數項和從而可降低網絡時延對系統穩定性的影響，改善系統的動態控制性能質量，實現對網絡時延的動態補償與動態前饋控制加SPC。

對於圖6中的閉環控制迴路2：

1)從輸入信號x2(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：

式中：C2IMC(s)是內模控制器。

2)來自於閉環控制迴路1中執行器A1節點的信號u1p(s)，通過動態前饋控制器D21(s)作用於閉環控制迴路2；與此同時，信號u1p(s)通過交叉幹擾通道G21(s)作用於閉環控制迴路2；從輸入信號u1p(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：

採用本發明方法，傳遞函數等式(7)和(8)的分母為1+C2IMC(s)G22(s)，閉環控制迴路2的閉環特徵方程為1+C2IMC(s)G22(s)＝0，閉環特徵方程中不再包含影響系統穩定性的網絡時延τ3和τ4的指數項和從而可降低網絡時延對系統穩定性的影響，改善系統動態控制性能質量，實現對網絡時延的動態補償與系統的動態前饋控制加IMC。

在閉環控制迴路1中，控制器C1(s)的選擇：

控制器C1(s)可根據被控對象G11(s)的數學模型，以及模型參數的變化，既可選擇常規控制策略，亦可選擇智能控制或複雜控制策略；閉環控制迴路1採用SPC方法，從TITO-NCS結構上實現與具體控制器C1(s)的控制策略的選擇無關。

在閉環控制迴路2中，內模控制器C2IMC(s)的設計與選擇：

設計內模控制器一般採用零極點相消法，即兩步設計法：第一步是設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)，構成一個完整的內模控制器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的誤差、系統的幹擾及其它各種約束條件等因素，選擇閉環控制迴路2中，被控對象預估模型等於其真實模型,即：G22m(s)＝G22(s)。

此時，被控對象預估模型可以根據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)為被控對象預估模型G22m(s)中包含純滯後環節和s右半平面零極點的不可逆部分；G22m-(s)為被控對象預估模型中的最小相位可逆部分。

通常情況下，閉環控制迴路2的前饋控制器C22(s)可選取為：

(2)前饋濾波器f2(s)

由於被控對象中的純滯後環節和位於s右半平面的零極點會影響前饋控制器的物理實現性，因而在前饋控制器的設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)；由於被控對象與被控對象預估模型之間可能不完全匹配而存在誤差，系統中還可能存在幹擾信號，這些因素都有可能使系統失去穩定。為此，在前饋控制器中添加一定階次的前饋濾波器，用於降低以上因素對系統穩定性的影響，提高系統的魯棒性。

通常把閉環控制迴路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；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)內模控制器C2IMC(s)

閉環控制迴路2的內模控制器C2IMC(s)可選取為:

從等式(9)中可以看出：一個自由度的內模控制器C2IMC(s)中，都只有一個可調節參數λ2；由於λ2參數的變化與系統的跟蹤性能和抗幹擾能力都有著直接的關係，因此在整定濾波器的可調節參數λ2時,一般需要在系統的跟蹤性與抗幹擾能力兩者之間進行折衷。

在閉環控制迴路1和迴路2中，動態前饋控制器D12(s)和D21(s)的選擇：

影響閉環控制迴路1和迴路2控制性能質量的幹擾信號u2p(s)和u1p(s)，通過交叉幹擾通道G12(s)和G21(s)作用於閉環控制迴路1和迴路2，採用動態前饋控制器D12(s)和D21(s)用於降低幹擾信號對閉環控制迴路1和迴路2動態性能的影響。通常情況下，可選擇D12(s)＝G12(s)/G11(s)，D21(s)＝G21(s)/G22(s)。

本發明的適用範圍：

適用於控制迴路1中被控對象預估模型等於其真實模型，以及控制迴路2中被控對象數學模型已知或不確知的一種二輸入二輸出網絡控制系統(TITO-NCS)網絡時延補償與SPC和IMC；其研究思路與方法，同樣也適用於控制迴路中被控對象預估模型等於其真實模型時採用SPC，以及控制迴路中被控對象數學模型已知或不確知採用IMC的多輸入多輸出網絡控制系統(MIMO-NCS)網絡時延補償與控制。

本發明的特徵在於該方法包括以下步驟：

對於閉環控制迴路1：

(1).當傳感器S1節點被周期為h1的採樣信號觸發時，將採用方式A進行工作；

(2).當控制器C1節點被反饋信號y1b(s)觸發時，將採用方式B進行工作；

(3).當執行器A1節點被控制信號u1(s)觸發時，將採用方式C進行工作；

對於閉環控制迴路2：

(4).當傳感器S2節點被周期為h2的採樣信號觸發時，將採用方式D進行工作；

(5).當控制器C2節點被反饋信號y2(s)觸發時，將採用方式E進行工作；

(6).當執行器A2節點被IMC信號u2(s)觸發時，將採用方式F進行工作；

方式A的步驟包括：

A1：傳感器S1節點工作於時間驅動方式，其觸發信號為周期h1的採樣信號；

A2：傳感器S1節點被觸發後，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G12(s)的輸出信號y12(s)，以及執行器A1節點的輸出信號y11mb(s)進行採樣，並計算出閉環控制迴路1的系統輸出信號y1(s)和反饋信號y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)-y11mb(s)；

A3：將反饋信號y1b(s)，通過閉環控制迴路1的反饋網絡通路向控制器C1節點傳輸，反饋信號y1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ2後，才能到達控制器C1節點；

方式B的步驟包括：

B1：控制器C1節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發；

B2：在控制器C1節點中，將閉環控制迴路1的系統給定信號x1(s)，減去反饋信號y1b(s)與被控對象傳遞函數預估模型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)實施控制算法C1(s)，得到控制信號u1(s)；將控制信號u1(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11ma(s)；

B4：將控制信號u1(s)通過閉環控制迴路1的前向網絡通路單元向執行器A1節點傳輸，u1(s)將經歷網絡傳輸時延τ1後，才能到達執行器A1節點；

方式C的步驟包括：

C1：執行器A1節點工作於事件驅動方式，被控制信號u1(s)所觸發；

C2：在執行器A1節點中，將控制信號u1(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；將控制信號u1(s)與來自於閉環控制迴路2執行器A2節點的信號u2p(s)通過動態前饋控制器D12(s)的輸出值ud12(s)相減得到信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-ud12(s)；

C3：將信號u1p(s)作用於被控對象G11(s)得到其輸出值y11(s)；將信號u1p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)得到其輸出值y21(s)；從而實現對被控對象G11(s)和G21(s)的動態前饋控制加SPC，同時實現對網絡時延τ1和τ2的補償與控制；

方式D的步驟包括：

D1：傳感器S2節點工作於時間驅動方式，其觸發信號為周期h2的採樣信號；

D2：傳感器S2節點被觸發後，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G21(s)的輸出信號y21(s)進行採樣，並計算出閉環控制迴路2的系統輸出信號y2(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)；

D3：將反饋信號y2(s)，通過閉環控制迴路2的反饋網絡通路向控制器C2節點傳輸，反饋信號y2(s)將經歷網絡傳輸時延τ4後，才能到達控制器C2節點；

方式E的步驟包括：

E1：控制器C2節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y2(s)所觸發；

E2：在控制器C2節點中，將閉環控制迴路2系統給定信號x2(s)，與反饋信號y2(s)相加並相減後，得到信號e2(s)，即e2(s)＝x2(s)+y2(s)-y2(s)＝x2(s)；對e2(s)實施內模控制算法C2IMC(s)，得到IMC信號u2(s)；

E3：將IMC信號u2(s)通過閉環控制迴路2的前向網絡通路單元向執行器A2節點傳輸，u2(s)將經歷網絡傳輸時延τ3後，才能到達執行器A2節點；

方式F的步驟包括：

F1：執行器A2節點工作於事件驅動方式，被IMC信號u2(s)所觸發；

F2：將IMC信號u2(s)與來自於閉環控制迴路1執行器A1節點的輸出信號u1p(s)通過動態前饋控制器D21(s)的輸出信號ud21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-ud21(s)；

F3：將信號u2p(s)作用於被控對象G22(s)得到其輸出值y22(s)；將信號u2p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)得到其輸出值y12(s)；從而實現對被控對象G22(s)和G12(s)的動態前饋控制加IMC，同時實現對網絡時延τ3和τ4的補償與控制。

本發明具有如下特點：

1、由於從結構上免除對TITO-NCS中，網絡時延的測量、觀測、估計或辨識，同時還可免除節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點存貯資源的浪費，同時還可避免由於時延造成的「空採樣」或「多採樣」帶來的補償誤差。

2、由於從TITO-NCS結構上，實現與具體的網絡通信協議的選擇無關，因而既適用於採用有線網絡協議的TITO-NCS，亦適用於採用無線網絡協議的TITO-NCS；既適用於確定性網絡協議，亦適用於非確定性的網絡協議；既適用於異構網絡構成的TITO-NCS，同時亦適用於異質網絡構成的TITO-NCS。

3、TITO-NCS中的控制迴路1：採用動態前饋控制加SPC，由於從TITO-NCS結構上實現與具體控制器C1(s)的控制策略的選擇無關，因而既可用於採用常規控制的TITO-NCS，亦可用於採用智能控制或採用複雜控制策略的TITO-NCS；採用動態前饋控制器D12(s)，可以降低來自閉環控制迴路2的幹擾信號u2p(s)通過交叉幹擾通道G12(s)對閉環控制迴路1動態性能的影響，同時D12(s)兼有解耦控制作用。

4、TITO-NCS中的控制迴路2：採用動態前饋控制加IMC，其內模控制器C2IMC(s)的可調參數只有一個λ2參數，其參數的調節與選擇簡單，且物理意義明確；採用IMC不僅可以提高系統的穩定性、跟蹤性能與抗幹擾性能,而且還可實現對網絡時延的補償與IMC；採用動態前饋控制器D21(s)，可以降低來自閉環控制迴路1的幹擾信號u1p(s)通過交叉幹擾通道G21(s)對閉環控制迴路2動態性能的影響，同時D21(s)兼有解耦控制作用。

5、由於本發明採用的是「軟體」改變TITO-NCS結構的補償與控制方法，因而在其實現過程中無需再增加任何硬體設備，利用現有TITO-NCS智能節點自帶的軟體資源，足以實現其補償與控制功能，可節省硬體投資便於推廣和應用。

附圖說明

圖1：NCS的典型結構

圖1由傳感器S節點，控制器C節點，執行器A節點，被控對象，前向網絡通路傳輸單元以及反饋網絡通路傳輸單元所組成。

圖1中：x(s)表示系統輸入信號；y(s)表示系統輸出信號；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節點向執行器A節點傳輸所經歷的前向網絡通路傳輸時延；τsc表示將傳感器S節點的檢測信號y(s)向控制器C節點傳輸所經歷的反饋網絡通路傳輸時延；G(s)表示被控對象傳遞函數。

圖2：MIMO-NCS的典型結構

圖2由r個傳感器S節點，控制器C節點，m個執行器A節點，被控對象G，m個前向網絡通路傳輸時延單元，以及r個反饋網絡通路傳輸時延單元所組成。

圖2中：yj(s)表示系統的第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節點向第i個執行器A節點傳輸所經歷的前向網絡通路傳輸時延；表示將第j個傳感器S節點的檢測信號yj(s)向控制器C節點傳輸所經歷的反饋網絡通路傳輸時延；G表示被控對象傳遞函數。

圖3：TITO-NCS的典型結構

圖3由閉環控制迴路1和2所構成，其系統包含傳感器S1和S2節點，控制器C1和C2節點，執行器A1和A2節點，被控對象傳遞函數G11(s)和G22(s)以及被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)和G12(s)，前向網絡通路傳輸單元和以及反饋網絡通路傳輸單元和所組成。

圖3中：x1(s)和x2(s)表示系統的輸入信號；y1(s)和y2(s)表示系統的輸出信號；C1(s)和C2(s)表示控制迴路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C1和C2節點向執行器A1和A2節點傳輸所經歷的前向網絡通路傳輸時延；τ2和τ4表示將傳感器S1和S2節點的檢測信號y1(s)和y2(s)向控制器C1和C2節點傳輸所經歷的反饋網絡通路傳輸時延。

圖4：一種包含預估模型的TITO-NCS時延補償與控制結構

圖4中：C1(s)是控制迴路1的控制器；C2mIMC(s)是控制迴路2內模控制器C2IMC(s)的預估模型；以及是網絡傳輸時延以及的預估時延模型；以及是網絡傳輸時延以及的預估時延模型；G11m(s)是被控對象傳遞函數G11(s)的預估模型；D12(s)和D21(s)是動態前饋控制器。

圖5：用真實模型代替預估模型的時延補償與控制結構

圖6：一種二輸入二輸出網絡控制系統時延補償SPC和IMC方法

具體實施方式

下面將通過參照附圖6詳細描述本發明的示例性實施例，使本領域的普通技術人員更清楚本發明的上述特徵和優點。

具體實施步驟如下所述：

對於閉環控制迴路1：

第一步：傳感器S1節點工作於時間驅動方式，當傳感器S1節點被周期為h1的採樣信號觸發後，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G12(s)的輸出信號y12(s)，以及執行器A1節點的輸出信號y11mb(s)進行採樣，並計算出閉環控制迴路1的系統輸出信號y1(s)和反饋信號y1b(s)，且y1(s)＝y11(s)+y12(s)和y1b(s)＝y1(s)-y11mb(s)；

第二步：傳感器S1節點將反饋信號y1b(s)，通過閉環控制迴路1的反饋網絡通路向控制器C1節點傳輸，反饋信號y1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ2後，才能到達控制器C1節點；

第三步：控制器C1節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y1b(s)所觸發後，將閉環控制迴路1的系統給定信號x1(s)，減去反饋信號y1b(s)與被控對象傳遞函數預估模型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)實施控制算法C1(s)，得到控制信號u1(s)；將控制信號u1(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11ma(s)；

第四步：將控制信號u1(s)通過閉環控制迴路1的前向網絡通路單元向執行器A1節點傳輸，u1(s)將經歷網絡傳輸時延τ1後，才能到達執行器A1節點；

第五步：執行器A1節點工作於事件驅動方式，被控制信號u1(s)所觸發後，將控制信號u1(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；將控制信號u1(s)與來自於閉環控制迴路2執行器A2節點的信號u2p(s)通過動態前饋控制器D12(s)的輸出值ud12(s)相減得到信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-ud12(s)；

第六步：將信號u1p(s)作用於被控對象G11(s)得到其輸出值y11(s)；將信號u1p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)得到其輸出值y21(s)；從而實現對被控對象G11(s)和G21(s)的動態前饋控制加SPC，同時實現對網絡時延τ1和τ2的補償與控制；

第七步：返回第一步；

對於閉環控制迴路2：

第一步：傳感器S2節點工作於時間驅動方式，當傳感器S2節點被周期為h2的採樣信號觸發後，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G21(s)的輸出信號y21(s)進行採樣，並計算出閉環控制迴路2的系統輸出信號y2(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)；

第二步：傳感器S2節點將反饋信號y2(s)，通過閉環控制迴路2的反饋網絡通路向控制器C2節點傳輸，反饋信號y2(s)將經歷網絡傳輸時延τ4後，才能到達控制器C2節點；

第三步：控制器C2節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y2(s)所觸發後，將閉環控制迴路2系統給定信號x2(s)，與反饋信號y2(s)相加並相減後得到信號e2(s)，即e2(s)＝x2(s)+y2(s)-y2(s)＝x2(s)；對e2(s)實施內模控制算法C2IMC(s)，得到IMC信號u2(s)；

第四步：將IMC信號u2(s)通過閉環控制迴路2的前向網絡通路單元向執行器A2節點傳輸，u2(s)將經歷網絡傳輸時延τ3後，才能到達執行器A2節點；

第五步：執行器A2節點工作於事件驅動方式，被IMC信號u2(s)所觸發後，將IMC信號u2(s)與來自於閉環控制迴路1執行器A1節點的輸出信號u1p(s)通過動態前饋控制器D21(s)的輸出信號ud21(s)相減得到信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-ud21(s)；

第六步：將信號u2p(s)作用於被控對象G22(s)得到其輸出值y22(s)；將信號u2p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)得到其輸出值y12(s)；從而實現對被控對象G22(s)和G12(s)的動態前饋控制加IMC，同時實現對網絡時延τ3和τ4的補償與控制；

第七步：返回第一步；

以上所述僅為本發明的較佳實施例而己，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。