一種雙輸入輸出網絡解耦控制系統未知時延混雜控制方法與流程

2023-05-20 05:25:31 2

本發明涉及自動控制技術，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解耦控制系統技術領域。

背景技術：

通過實時通信網絡構成的閉環反饋控制系統，稱為網絡控制系統(Networked control systems，NCS)，NCS的典型結構如圖1所示。

NCS突破傳統控制系統在空間物理位置上的限制，將系統單元改用網絡連接，使智能現場設備集成一體化、業務管理網絡化，實現結構網絡化、節點智能化、控制現場化、功能分散化、系統開放化及產品集成化。與傳統的點對點控制模式相比，網絡化的控制模式減少布線成本、方便設備維護、增強系統的抗幹擾性能、提高數據傳輸的可靠性、共享網絡信息資源等。近年來已被廣泛應用於過程自動化、製造業自動化、航空航天、機器人、智能交通等多個領域。

在NCS中，由於網絡帶寬受限，網絡誘導時延以及參數不確定性等因素對系統性能和穩定性的影響，使得NCS的分析和綜合變得更加困難，NCS面臨諸多新的挑戰，尤其是未知網絡時延的存在，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，國內外關於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，分別在網絡時延已知、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)的控制系統，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絡解耦控制系統(Networked decoupling control systems，NDCS)時延補償的研究成果則相對更少。

MIMO-NDCS的典型結構如圖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並存在耦合作用

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跟蹤各自的輸入信號是有困難的。MIMO-NDCS中的解耦器，用於解除或降低多輸入多輸出信號之間的耦合作用。

(2)內部結構比SISO-NCS要複雜得多

(3)被控對象可能存在不確定性因素

在MIMO-NDCS中，涉及的參數較多，各控制迴路間的聯繫較多，參數變動對整體控制效果的影響會變得很複雜。

(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控制迴路，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，嚴重時會使控制系統不穩定，甚至造成重大事故。

由於MIMO-NDCS的上述特殊性，使得大部分基於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量的要求，使其不能或不能直接應用於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。

對於MIMO-NDCS，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-NDCS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，目前幾乎是不可能的。

(2)發生在MIMO-NDCS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困難。

(3)要滿足MIMO-NDCS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，輸入與輸出之間彼此影響，並存在耦合作用，其MIMO-NDCS的內部結構要比MIMO-NCS和SISO-NCS複雜，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。

技術實現要素：

本發明涉及MIMO-NDCS中的一種雙輸入雙輸出網絡解耦控制系統(TITO-NDCS)未知時延的補償與控制，其TITO-NDCS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)是控制單元，G11(s)是被控對象；τ1表示將控制解耦器CD1節點輸出信號u1p(s)，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控制解耦器CD1節點所經歷的網絡時延。

2)來自閉環控制迴路2中控制解耦器CD2節點輸出信號u2p(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數P12(s)及其網絡通路單元後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：

3)來自閉環控制迴路2中執行器A2節點的輸出信號u2p(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u2p(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)至(3)的分母中，包含了未知網絡時延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)是控制單元，G22(s)是被控對象；τ3表示將控制解耦器CD2節點輸出信號u2p(s)，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控制解耦器CD2節點所經歷的網絡時延。

2)來自閉環控制迴路1中控制解耦器CD1節點輸出信號u1p(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數P21(s)及網絡通路單元後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：

3)來自閉環控制迴路1執行器A1節點的輸出信號u1p(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u1p(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：

上述閉環傳遞函數等式(4)至(6)的分母中，均包含了未知網絡時延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-NDCS，其閉環控制迴路1的閉環傳遞函數等式(1)至(3)的分母中，均包含了未知網絡時延τ1和τ2的指數項和以及閉環控制迴路2的閉環傳遞函數等式(4)至(6)的分母中，均包含了未知網絡時延τ3和τ4的指數項和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，提出一種基於SPC(Smith Predictor Control，SPC)的時延補償方法；針對閉環控制迴路2，提出一種基於IMC(Internal Model Control，IMC)的時延補償方法；構成兩閉環控制迴路網絡時延的補償與混雜控制，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；當預估模型等於其真實模型時，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-NDCS未知網絡時延的分段、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：在控制解耦器CD1節點中，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，採用以控制解耦輸出信號u1p(s)和u2pm(s)作為輸入信號，被控對象預估模型G11m(s)和G12m(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，如圖4所示；

第二步：針對實際TITO-NDCS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，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節點到控制解耦器CD1節點之間，以及從控制解耦器CD1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的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：在控制解耦器CD2節點中，首先構建一個內模控制器C2IMC(s)用於取代控制器C2(s)；為了實現滿足預估補償條件時，閉環控制迴路2的閉環特徵方程中不再包含網絡時延的指數項，以實現對網絡時延τ3和τ4的補償與控制，採用以控制解耦輸出信號u2p(s)和yp21(s)以及u1pm(s)作為輸入信號，被控對象預估模型G22m(s)和G21m(s)作為被控過程，控制與過程數據通過網絡時延傳輸預估模型以及圍繞內模控制器C2IMC(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，如圖4所示；

第二步：針對實際TITO-NDCS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，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S2節點到控制解耦器CD2節點之間，以及從控制解耦器CD2節點到執行器A2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的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2中，節點之間網絡時延τ3和τ4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5所示。

對於圖5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)來自閉環控制迴路2控制解耦器CD2節點的輸出信號u2p(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數P12(s)和其網絡傳輸通道單元的輸出信號yp12(s)作用於閉環控制迴路1的前向通路；以及yp12(s)作用於傳遞函數1/P12(s)及被控對象交叉通道預估模型G12m(s)，從輸入信號u2p(s)到輸出信號y1(s)之間的閉環傳遞函數為：

3)來自閉環控制迴路2執行器A2節點的控制信號u2p(s)，同時通過被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)和其預估模型G12m(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時，即當G11m(s)＝G11(s)時，閉環控制迴路1的閉環傳遞函數的特徵方程將由變成1+C1(s)G11(s)＝0；其閉環傳遞函數的分母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，實現對未知網絡時延的動態補償與SPC。

對於圖5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：G22m(s)是被控對象G22(s)的預估模型；C2IMC(s)是內模控制器。

2)來自閉環控制迴路1控制解耦器CD1節點的輸出信號u1p(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數P21(s)和其網絡傳輸通道單元的輸出信號yp21(s)作用於閉環控制迴路2的前向通路；以及yp21(s)作用於傳遞函數1/P21(s)及被控對象交叉通道預估模型G21m(s)；同時yp21(s)還作用於被控對象預估模型G22m(s)，從輸入信號u1p(s)到輸出信號y2(s)之間的閉環傳遞函數為：

3)來自閉環控制迴路1執行器A1節點的控制信號u1p(s)，同時通過被控對象交叉通道傳遞函數G21(s)和其預估模型G21m(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，當被控對象預估模型等於其真實模型時，即當G22m(s)＝G22(s)時，閉環控制迴路2的閉環傳遞函數分母將由變成1；此時，閉環控制迴路2相當於一個開環控制系統，閉環傳遞函數的分母中已經不再包含影響系統穩定性的網絡時延τ3和τ4的指數項和系統的穩定性僅與被控對象和內模控制器本身的穩定性有關；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，實現對未知網絡時延的動態補償與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-NDCS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，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(13)中可以看出：一個自由度的內模控制器C2IMC(s)中，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。

本發明的適用範圍：

適用於被控對象預估模型等於其真實模型的一種雙輸入輸出網絡解耦控制系統(TITO-NDCS)未知時延的補償和SPC與IMC；其研究思路與方法，同樣適用於被控對象預估模型等於其真實模型的多輸入多輸出網絡解耦控制系統(MIMO-NDCS)未知網絡時延的補償和SPC與IMC。

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).當控制解耦器CD1節點被反饋信號y1b(s)或者被交叉解耦網絡通路單元的輸出信號yp12(s)觸發時，將採用方式B進行工作；

(3).當執行器A1節點被控制解耦信號u1p(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).當控制解耦器CD2節點被反饋信號y2b(s)或者被交叉解耦網絡通路單元的輸出信號yp21(s)觸發時，將採用方式E進行工作；

(6).當執行器A2節點被控制解耦信號u2p(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)和y12mb(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)-y12mb(s)；

A3：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解耦器CD1節點傳輸，反饋信號y1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ2後，才能到達控制解耦器CD1節點；

方式B的步驟包括：

B1：控制解耦器CD1節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y1b(s)或者被交叉解耦網絡通路單元的輸出信號yp12(s)所觸發；

B2：在控制解耦器CD1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)和被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)的輸出值y12ma(s)以及減去被控對象預估模型G11m(s)的輸出值y11ma(s)，得到系統偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y12ma(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)，減去來自於控制解耦器CD2節點通過解耦通道傳遞函數P12(s)和網絡通路單元傳輸過來的信號yp12(s)，得到控制解耦信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；將u1p(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11ma(s)；

B5：將yp12(s)作用於傳遞函數1/P12(s)得到其輸出值u2pm(s)，將u2pm(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12ma(s)；

B6：將u1p(s)作用於解耦通道傳遞函數P21(s)，並將P21(s)的輸出信號yp21(s)通過網絡通路單元向控制解耦器CD2節點傳輸，yp21(s)將經歷網絡傳輸時延τ21後，才能到達控制解耦器CD2節點；

B7：將控制解耦信號u1p(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，u1p(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，被控制解耦信號u1p(s)所觸發；

C2：將控制解耦信號u1p(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；將來自於閉環控制迴路2的前向網絡通路單元的控制解耦信號u2p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12mb(s)；

C3：將控制解耦信號u1p(s)作用於被控對象G11(s)得到其輸出值y11(s)；將控制解耦信號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)的解耦與SPC，同時實現對未知網絡時延τ1和τ2的補償；

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，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)，以及執行器A2節點的輸出信號y22mb(s)和y21mb(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)和反饋信號y2b(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)和y2b(s)＝y2(s)-y22mb(s)-y21mb(s)；

D3：傳感器S2節點將反饋信號y2b(s)，通過閉環控制迴路2的反饋網絡通路向控制解耦器CD2節點傳輸，反饋信號y2b(s)將經歷網絡傳輸時延τ4後，才能到達控制解耦器CD2節點；

方式E的步驟包括：

E1：控制解耦器CD2節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y2b(s)或者被交叉解耦網絡通路單元的輸出信號yp21(s)所觸發；

E2：在控制解耦器CD2節點中，將閉環控制迴路2的系統給定信號x2(s)，減去反饋信號y2b(s)和被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(s)的輸出值y21ma(s)後再加上被控對象預估模型G22m(s)的輸出值y22ma(s)，得到系統偏差信號e2(s)，即e2(s)＝x2(s)-y2b(s)-y21ma(s)+y22ma(s)；

E3：對e2(s)實施內模控制算法C2IMC(s)，得到IMC信號u2(s)；

E4：將IMC信號u2(s)，減去來自於控制解耦器CD1節點通過解耦通道傳遞函數P21(s)和網絡通路單元傳輸過來的信號yp21(s)，得到控制解耦信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

E5：將yp21(s)作用於被控對象預估模型G22m(s)得到其輸出值y22ma(s)；將yp21(s)作用於傳遞函數1/P21(s)得到其輸出值u1pm(s)，將u1pm(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(s)得到其輸出值y21ma(s)；

E6：將u2p(s)作用於解耦通道傳遞函數P12(s)，並將P12(s)的輸出信號yp12(s)通過網絡通路單元向控制解耦器CD1節點傳輸，yp12(s)將經歷網絡傳輸時延τ12後，才能到達控制解耦器CD1節點；

E7：將控制解耦信號u2p(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，u2p(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，被控制解耦信號u2p(s)所觸發；

F2：將控制解耦信號u2p(s)作用於被控對象預估模型G22m(s)得到其輸出值y22mb(s)；將來自於閉環控制迴路1的前向網絡通路單元的控制解耦信號u1p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(s)得到其輸出值y21mb(s)；

F3：將控制解耦信號u2p(s)作用於被控對象G22(s)得到其輸出值y22(s)；將控制解耦信號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)的解耦與IMC，同時實現對未知網絡時延τ3和τ4的補償。

本發明具有如下特點：

1、由於從結構上免除對TITO-NDCS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-NDCS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-NDCS，亦適用於採用無線網絡協議的TITO-NDCS；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-NDCS，同時亦適用於異質網絡構成的TITO-NDCS。

3、TITO-NDCS中，採用SPC的控制迴路1，由於從TITO-NDCS結構上實現與具體控制器C1(s)控制策略的選擇無關，因而既可用於採用常規控制的TITO-NDCS，亦可用於採用智能控制或採用複雜控制策略的TITO-NDCS。

4、TITO-NDCS中，採用IMC的控制迴路2，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。

5、由於本發明採用的是「軟體」改變TITO-NDCS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-NDCS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中，系統由傳感器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節點檢測信號y(s)向控制器C節點傳輸所經歷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-NDCS的典型結構

圖2中，系統由r個傳感器S節點，控制解耦器CD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)表示系統的第i個控制信號；表示將控制解耦信號ui(s)從控制解耦器CD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；表示將系統的第j個傳感器S節點的檢測信號yj(s)向控制解耦器CD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-NDCS的典型結構

圖3由閉環控制迴路1和2所構成，系統包含傳感器S1和S2節點，控制解耦器CD1和CD2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)，交叉解耦通道傳遞函數P21(s)和P12(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以及交叉解耦網絡通路傳輸單元和所組成。

圖3中：x1(s)和x2(s)表示系統輸入信號；y1(s)和y2(s)表示系統輸出信號；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；yp21(s)和yp12(s)表示交叉解耦通路輸出信號；u1p(s)和u2p(s)表示控制解耦信號；τ1和τ3表示將控制解耦信號u1p(s)和u2p(s)從控制解耦器CD1和CD2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)向控制解耦器CD1和CD2節點傳輸所經歷的反饋網絡通路傳輸時延；τ21和τ12表示將交叉解耦通道傳遞函數P21(s)和P12(s)的輸出信號yp21(s)和yp12(s)向控制解耦器CD2和CD1節點傳輸所經歷的網絡通路傳輸時延。

圖4：一種包含預估模型的TITO-NDCS時延補償與控制結構

圖4中，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)和G22m(s)是被控對象傳遞函數G11(s)和G22(s)的預估模型；G12m(s)和G21m(s)是被控對象交叉通道傳遞函數G12(s)和G21(s)的預估模型；C1(s)是控制器；C2IMC(s)是內模控制器。

圖5：一種雙輸入輸出網絡解耦控制系統未知時延的混雜控制方法

圖5可實現對閉環控制迴路1和2中未知時延的SPC與IMC。

具體實施方式

下面將通過參照附圖5來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，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)和y12mb(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)-y12mb(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解耦器CD1節點傳輸，反饋信號y1b(s)將經歷網絡傳輸時延τ2後，才能到達控制解耦器CD1節點；

第三步：控制解耦器CD1節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y1b(s)或者被交叉解耦網絡通路單元的輸出信號yp12(s)觸發後，將閉環控制迴路1的給定信號x1(s)，減去反饋信號y1b(s)和被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)的輸出值y12ma(s)以及減去被控對象預估模型G11m(s)的輸出值y11ma(s)，得到系統偏差信號e1(s)，即e1(s)＝x1(s)-y1b(s)-y12ma(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)減去來自於控制解耦器CD2節點通過解耦通道傳遞函數P12(s)和網絡通路單元傳輸過來的信號yp12(s)，得到控制解耦信號u1p(s)，即u1p(s)＝u1(s)-yp12(s)；將u1p(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11ma(s)；

第五步：將yp12(s)作用於傳遞函數1/P12(s)得到其輸出值u2pm(s)，將u2pm(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12ma(s)；

第六步：將u1p(s)作用於解耦通道傳遞函數P21(s)，並將P21(s)的輸出信號yp21(s)通過網絡通路單元向控制解耦器CD2節點傳輸，yp21(s)將經歷網絡傳輸時延τ21後，才能到達控制解耦器CD2節點；

第七步：將控制解耦信號u1p(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，u1p(s)將經歷網絡傳輸時延τ1後，才能到達執行器A1節點；

第八步：執行器A1節點工作於事件驅動方式，被控制解耦信號u1p(s)觸發後，將控制解耦信號u1p(s)作用於被控對象預估模型G11m(s)得到其輸出值y11mb(s)；將來自於閉環控制迴路2的前向網絡通路單元的控制解耦信號u2p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G12m(s)得到其輸出值y12mb(s)；

第九步：將控制解耦信號u1p(s)作用於被控對象G11(s)得到其輸出值y11(s)；將控制解耦信號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)的解耦與SPC，同時實現對未知網絡時延τ1和τ2的補償；

第十步：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，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)，以及執行器A2節點的輸出信號y22mb(s)和y21mb(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)和反饋信號y2b(s)，且y2(s)＝y22(s)+y21(s)和y2b(s)＝y2(s)-y22mb(s)-y21mb(s)；

第二步：傳感器S2節點將反饋信號y2b(s)，通過閉環控制迴路2的反饋網絡通路向控制解耦器CD2節點傳輸，反饋信號y2b(s)將經歷網絡傳輸時延τ4後，才能到達控制解耦器CD2節點；

第三步：控制解耦器CD2節點工作於事件驅動方式，被反饋信號y2b(s)或者被交叉解耦網絡通路單元的輸出信號yp21(s)觸發後，將閉環控制迴路2的給定信號x2(s)，減去反饋信號y2b(s)和被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(s)的輸出值y21ma(s)後再加上被控對象預估模型G22m(s)輸出值y22ma(s)，得到系統偏差信號e2(s)，即e2(s)＝x2(s)-y2b(s)-y21ma(s)+y22ma(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)減去來自於控制解耦器CD1節點通過解耦通道傳遞函數P21(s)和網絡通路單元傳輸過來的信號yp21(s)，得到控制解耦信號u2p(s)，即u2p(s)＝u2(s)-yp21(s)；

第五步：將yp21(s)作用於被控對象預估模型G22m(s)得到其輸出值y22ma(s)；將yp21(s)作用於傳遞函數1/P21(s)得到其輸出值u1pm(s)；將u1pm(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(s)得到其輸出值y21ma(s)；

第六步：將u2p(s)作用於解耦通道傳遞函數P12(s)，並將P12(s)的輸出信號yp12(s)通過網絡通路單元向控制解耦器CD1節點傳輸，yp12(s)將經歷網絡傳輸時延τ12後，才能到達控制解耦器CD1節點；

第七步：將控制解耦信號u2p(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，u2p(s)將經歷網絡傳輸時延τ3後，才能到達執行器A2節點；

第八步：執行器A2節點工作於事件驅動方式，被控制解耦信號u2p(s)觸發後，將控制解耦信號u2p(s)作用於被控對象預估模型G22m(s)得到其輸出值y22mb(s)；將來自於閉環控制迴路1的前向網絡通路單元的控制解耦信號u1p(s)作用於被控對象交叉通道傳遞函數預估模型G21m(s)得到其輸出值y21mb(s)；

第九步：將控制解耦信號u2p(s)作用於被控對象G22(s)得到其輸出值y22(s)；將控制解耦信號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)的解耦與IMC，同時實現對未知網絡時延τ3和τ4的補償；

第十步：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。