[发明专利]一种两输入两输出网络控制系统不确定时延混杂控制方法

说明书

TITO‑NCS不确定时延混杂控制方法，属于带宽资源有限的多输入多输出网络控制系统技术领域。针对一种TITO‑NCS，其两输入与两输出信号之间相互影响，由于网络数据在节点之间传输所产生的网络时延，不仅影响其自身闭环控制回路的稳定性，而且还将影响另一闭环控制回路的稳定性，甚至导致TITO‑NCS失去稳定性的问题，提出以TITO‑NCS中所有真实节点之间的网络数据传输过程，代替其间不确定网络时延的补偿模型，并对两回路分别实施IMC和SPC混杂控制，可免除对节点之间网络时延的测量、估计或辨识，免除对节点时钟信号同步的要求，可降低不确定时延对TITO‑NCS稳定性的影响，改善系统的控制性能质量。

技术领域

本发明涉及自动控制技术，网络通信技术和计算机技术的交叉领域，尤其涉及带宽资源有限的多输入多输出网络控制系统技术领域。

背景技术

随着网络通信、计算机和控制技术的发展，以及生产过程控制日益大型化、广域化、复杂化及网络化的发展，越来越多的网络技术应用于控制系统。网络控制系统(Networked control systems，NCS)是指基于网络的实时闭环反馈控制系统，NCS的典型结构如图1所示。

NCS可实现复杂大系统及远程控制，节点资源共享，增加系统的柔性和可靠性，近年来已被广泛应用于复杂工业过程控制、电力系统、石油化工、轨道交通、航空航天、环境监测等多个领域。

在NCS中，当传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时，网络可能存在多包传输、多路径传输、数据碰撞，网络拥塞甚至连接中断等现象，使得NCS面临诸多新的挑战。尤其是不确定网络时延的存在，可降低NCS的控制质量，甚至使系统失去稳定性，严重时可能导致系统出现故障。

目前，国内外对于NCS的研究，主要是针对单输入单输出(Single-input andsingle-output，SISO)网络控制系统，分别在网络时延恒定、未知或随机，网络时延小于一个采样周期或大于一个采样周期，单包传输或多包传输，有无数据包丢失等情况下，对其进行数学建模或稳定性分析与控制。但是，针对实际工业过程中，普遍存在的至少包含两个输入与两个输出(Two-input and two-output，TITO)所构成的多输入多输出(Multiple-input and multiple-output，MIMO)网络控制系统的研究则相对较少，尤其是针对基于其系统结构的时延补偿方法的研究成果则相对更少。

MIMO-NCS的典型结构如图2所示。

与SISO-NCS相比，MIMO-NCS具有以下特点：

(1)输入信号与输出信号之间彼此影响并可能产生耦合作用

在MIMO-NCS中，一个输入信号的变化可以使得多个输出信号发生变化，而各个输出信号也不只受到一个输入信号的影响。即使输入与输出信号之间经过精心选择配对，各控制回路之间也难免存在着相互影响，因而要使输出信号独立地跟踪各自的输入信号是有困难的。

(2)内部结构要比SISO-NCS复杂得多

(3)被控对象存在不确定性的因素较多

在MIMO-NCS中，涉及的参数较多，各控制回路间的联系较多，被控对象参数变化对整体控制性能的影响会变得较为复杂。

(4)控制部件失效的可能性较大

在MIMO-NCS中，至少包含有两个或两个以上的闭环控制回路，并且至少包含有两个或两个以上的传感器和执行器。每一个元件的失效都可能影响整个控制系统的性能质量，严重时会使系统不稳定，甚至造成重大事故。

由于MIMO-NCS的上述特殊性，使得基于SISO-NCS进行设计与控制的方法，已无法满足MIMO-NCS的控制性能与控制质量的要求，使其不能或不能直接应用于MIMO-NCS的设计与控制中，给MIMO-NCS的设计与分析带来了困难。