本發(fā)明涉及自動控制技術，網(wǎng)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(wǎng)絡解耦控制系統(tǒng)技術領域。

背景技術：

隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，對生產(chǎn)過程控制品質(zhì)與安全要求的不斷提高，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)難以滿足實際工業(yè)生產(chǎn)過程的需求，使得網(wǎng)絡控制取代傳統(tǒng)控制方式成為可能，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(Networked control systems，NCS)應運而生。NCS不同于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中控制部件點對點的連接方式，通過網(wǎng)絡把控制系統(tǒng)的各元件連接起來，形成實時閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，實現(xiàn)資源共享，具有單元結構自律性強、診斷能力高、系統(tǒng)配線簡單、易于設計及維護、可靠性高、操作靈活以及成本低等優(yōu)點，NCS的典型結構如圖1所示。

但是，在反饋控制回路中加入通信網(wǎng)絡的同時，也增加了控制系統(tǒng)分析和設計的復雜性。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)。尤其是時變網(wǎng)絡時延的存在，可降低NCS的控制質(zhì)量，甚至使系統(tǒng)失去穩(wěn)定性，嚴重時可能導致系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

目前，國內(nèi)外關于NCS的研究，主要是針對單輸入單輸出(Single-input and single-output，SISO)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，分別在網(wǎng)絡時延已知、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-input and two-output，TITO)的控制系統(tǒng)，所構成的多輸入多輸出(Multiple-input and multiple-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)(Networked decoupling control systems，NDCS)時延補償與控制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地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)部結構比SISO-NCS和MIMO-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)絡拓撲結構、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，對大于數(shù)個乃至數(shù)十個采樣周期的網(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)絡時延的準確值。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)部結構要比MIMO-NCS和SISO-NCS復雜，可能存在的不確定性因素較多，對MIMO-NDCS實施時延補償與控制要比MIMO-NCS和SISO-NCS困難得多。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及MIMO-NDCS中的一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡反饋解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)時變網(wǎng)絡時延的補償與控制，其TITO-NDCS的典型結構如圖3所示。

針對圖3中的閉環(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)是控制單元，G₁₁(s)是被控對象；τ₁表示將控制解耦器CD1節(jié)點輸出信號u_1a(s)，經(jīng)前向網(wǎng)絡通路傳輸?shù)綀?zhí)行器A1節(jié)點所經(jīng)歷的時變網(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)娇刂平怦钇鰿D1節(jié)點所經(jīng)歷的時變網(wǎng)絡時延。

2)來自閉環(huán)控制回路2中C₂(s)控制單元的輸出信號u₂(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)和網(wǎng)絡通路單元作用于閉環(huán)控制回路1，從輸入信號u₂(s)到輸出信號y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路2執(zhí)行器A2節(jié)點的輸出信號u_2a(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₁₂(s)影響閉環(huán)控制回路1的輸出信號y₁(s)，從輸入信號u_2a(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)至(3)的分母中，包含了時變網(wǎng)絡時延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)是控制單元，G₂₂(s)是被控對象；τ₃表示將控制解耦器CD2節(jié)點輸出信號u_2a(s)，經(jīng)前向網(wǎng)絡通路傳輸?shù)綀?zhí)行器A2節(jié)點所經(jīng)歷的時變網(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)娇刂平怦钇鰿D2節(jié)點所經(jīng)歷的時變網(wǎng)絡時延。

2)來自閉環(huán)控制回路1中C₁(s)控制單元的輸出信號u₁(s)，通過交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)和網(wǎng)絡通路單元作用于閉環(huán)控制回路2，從輸入信號u₁(s)到輸出信號y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

3)來自閉環(huán)控制回路1執(zhí)行器A1節(jié)點的輸出信號u_1a(s)，通過被控對象交叉通道傳遞函數(shù)G₂₁(s)影響閉環(huán)控制回路2的輸出信號y₂(s)，從輸入信號u_1a(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)至(6)的分母中，包含了時變網(wǎng)絡時延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的閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(1)至(3)的分母中，均包含了時變網(wǎng)絡時延τ₁和τ₂的指數(shù)項和以及閉環(huán)控制回路2的閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(4)至(6)的分母中，均包含了時變網(wǎng)絡時延τ₃和τ₄的指數(shù)項和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，本發(fā)明提出一種免除對各閉環(huán)控制回路中，節(jié)點之間時變網(wǎng)絡時延的測量、估計或辨識的時延補償方法，進而降低網(wǎng)絡時延對各自閉環(huán)控制回路以及整個控制系統(tǒng)控制性能質(zhì)量與系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，改善系統(tǒng)動態(tài)性能質(zhì)量，實現(xiàn)對TITO-NDCS時變網(wǎng)絡時延的分段、實時、在線和動態(tài)的預估補償與控制。

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，圍繞被控對象G₁₁(s)，采用以閉環(huán)控制回路1的輸出信號y₁(s)作為輸入信號，構造兩個預估補償控制回路：一是將y₁(s)通過預估控制器C_1m(s)構造一個負反饋預估控制回路；二是將y₁(s)通過網(wǎng)絡傳輸時延預估模型和預估控制器C_1m(s)以及網(wǎng)絡傳輸時延預估模型后構造一個正反饋預估控制回路，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，滿足預估控制器C_1m(s)等于其真實控制器C₁(s)的條件(由于控制器C₁(s)是人為設計與選擇，自然滿足C_1m(s)＝C₁(s))。為此，從傳感器S1節(jié)點到控制解耦器CD1節(jié)點之間，以及從控制解耦器CD1節(jié)點到執(zhí)行器A1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)絡時延的預估補償模型以及得到圖5所示的網(wǎng)絡時延補償與控制結構；

第三步：將圖5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)絡時延補償與控制結構；從結構上實現(xiàn)系統(tǒng)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)點之間網(wǎng)絡時延τ₁和τ₂的測量、估計或辨識；可實現(xiàn)對時變網(wǎng)絡時延τ₁和τ₂的補償與控制；

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τ₃和τ₄的補償與控制，圍繞被控對象G₂₂(s)，采用以閉環(huán)控制回路2的輸出信號y₂(s)作為輸入信號，構造兩個預估補償控制回路：一是將y₂(s)通過預估控制器C_2m(s)構造一個負反饋預估控制回路；二是將y₂(s)通過網(wǎng)絡傳輸時延預估模型和預估控制器C_2m(s)以及網(wǎng)絡傳輸時延預估模型后構造一個正反饋預估控制回路，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，滿足預估控制器C_2m(s)等于其真實控制器C₂(s)的條件(由于控制器C₂(s)是人為設計與選擇，自然滿足C_2m(s)＝C₂(s))。為此，從傳感器S2節(jié)點到控制解耦器CD2節(jié)點之間，以及從控制解耦器CD2節(jié)點到執(zhí)行器A2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)絡時延的預估補償模型以及得到圖5所示的網(wǎng)絡時延補償與控制結構；

第三步：將圖5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)絡時延補償與控制結構；從結構上實現(xiàn)系統(tǒng)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2中，節(jié)點與節(jié)點之間網(wǎng)絡時延τ₃和τ₄的測量、估計或辨識；可實現(xiàn)對時變網(wǎng)絡時延τ₃和τ₄的補償與控制。

在此需要特別說明的是，在圖6的控制解耦器CD1節(jié)點和CD2節(jié)點中，出現(xiàn)了閉環(huán)控制回路1和2的給定信號x₁(s)和x₂(s)，分別與各自回路的反饋信號y₁(s)和y₂(s)實施先“減”后“加”，或先“加”后“減”運算規(guī)則，即y₁(s)和y₂(s)信號同時經(jīng)過正反饋和負反饋連接到CD1節(jié)點和CD2節(jié)點中：

(1)這是由于將圖5閉環(huán)控制回路1和2中的控制器C₁(s)和C₂(s)單元，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”運算其結果值為“零”，這個“零”值，并不表明在該節(jié)點中信號y₁(s)和y₂(s)就不存在，或沒有得到y(tǒng)₁(s)和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)控制解耦器CD1節(jié)點或者CD2節(jié)點的觸發(fā)就來自于信號y₁(s)或者y₂(s)的驅(qū)動，如果控制解耦器CD1節(jié)點或者CD2節(jié)點沒有接收到來自反饋網(wǎng)絡通路傳輸過來的信號y₁(s)或者y₂(s)，則處于事件驅(qū)動工作方式的控制解耦器CD1節(jié)點或者CD2節(jié)點將不會被觸發(fā)。

針對圖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：

2)來自閉環(huán)控制回路2控制解耦器CD2節(jié)點e₂(s)作為輸入信號，通過C₂(s)控制單元與交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)以及網(wǎng)絡通路單元傳輸?shù)男盘栕饔糜陂]環(huán)控制回路1，從輸入信號e₂(s)到輸出信號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執(zhí)行器A2節(jié)點輸出信號u_2c(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，從輸入信號u_2c(s)到輸出信號y₁(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

從上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(7)至(9)中可以看出：采用本發(fā)明方法，控制回路1的閉環(huán)特征方程1+C₁(s)G₁₁(s)＝0中，不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的網(wǎng)絡時延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)的動態(tài)控制性能質(zhì)量，實現(xiàn)對時變網(wǎng)絡時延的動態(tài)補償與控制。

針對圖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：

2)來自閉環(huán)控制回路1控制解耦器CD1節(jié)點e₁(s)作為輸入信號，通過C₁(s)控制單元與交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)以及網(wǎng)絡通路單元傳輸?shù)男盘栕饔糜陂]環(huán)控制回路2，從輸入信號e₁(s)到輸出信號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執(zhí)行器A1節(jié)點輸出信號u_1c(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，從輸入信號u_1c(s)到輸出信號y₂(s)之間的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

從上述閉環(huán)傳遞函數(shù)等式(10)至(12)中可以看出：采用本發(fā)明方法，控制回路2的閉環(huán)特征方程1+C₂(s)G₂₂(s)＝0中，不再包含影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的網(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)的動態(tài)控制性能質(zhì)量，實現(xiàn)對時變網(wǎng)絡時延的動態(tài)補償與控制。

本發(fā)明的適用范圍：

適用于被控對象數(shù)學模型已知或未完全確知的一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡解耦控制系統(tǒng)(TITO-NDCS)時變網(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數(shù)學模型已知或未完全確知的兩個以上輸入和輸出所構成的多輸入多輸出網(wǎng)絡解耦控制系統(tǒng)(MIMO-NDCS)時變網(wǎng)絡時延補償與控制。

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).當控制解耦器CD1節(jié)點被反饋信號y₁(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p12(s)觸發(fā)時，將采用方式B進行工作；

(3).當執(zhí)行器A1節(jié)點被信號u_1a(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).當控制解耦器CD2節(jié)點被反饋信號y₂(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p21(s)觸發(fā)時，將采用方式E進行工作；

(6).當執(zhí)行器A2節(jié)點被信號u_2a(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)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)，且y₁(s)＝y(tǒng)₁₁(s)+y₁₂(s)；

A3：傳感器S1節(jié)點將反饋信號y₁(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡通路向控制解耦器CD1節(jié)點傳輸，反饋信號y₁(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₂后，才能到達控制解耦器CD1節(jié)點；

方式B的步驟包括：

B1：控制解耦器CD1節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y₁(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p12(s)所觸發(fā)；

B2：在控制解耦器CD1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y₁(s)得到誤差信號e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y₁(s)；對e₁(s)實施控制算法C₁(s)，并將其輸出信號作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)得到其輸出信號y_p21(s)；將信號y_p21(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡通路向控制解耦器CD2節(jié)點傳輸，信號y_p21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₂₁后，才能到達控制解耦器CD2節(jié)點；

B3：將誤差信號e₁(s)與反饋信號y₁(s)相加得到誤差信號e₃(s)，即e₃(s)＝e₁(s)+y₁(s)；對e₃(s)實施控制算法C₁(s)，得到其輸出信號u₁(s)；將信號u₁(s)與來自交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p12(s)相加，得到控制解耦輸出信號u_1a(s)，即u_1a(s)＝u₁(s)+y_p12(s)；

B4：將信號u_1a(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡通路單元向執(zhí)行器A1節(jié)點傳輸，u_1a(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₁后，才能到執(zhí)行器A1節(jié)點；

方式C的步驟包括：

C1：執(zhí)行器A1節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被信號u_1a(s)所觸發(fā)；

C2：執(zhí)行器A1節(jié)點被觸發(fā)后，將對來自傳感器S1節(jié)點的反饋信號y₁(s)實施控制算法C₁(s)，得到輸出其輸出信號u_1b(s)；

C3：將信號u_1a(s)與信號u_1b(s)相減，得到輸出信號u_1c(s)，即u_1c(s)＝u_1a(s)-u_1b(s)；

C4：將信號u_1c(s)作用于被控對象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將信號u_1c(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)對時變網(wǎng)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(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)，即y₂(s)＝y(tǒng)₂₂(s)+y₂₁(s)；

D3：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)絡通路向控制解耦器CD2節(jié)點傳輸，反饋信號y₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₄后，才能到達控制解耦器CD2節(jié)點；

方式E的步驟包括：

E1：控制解耦器CD2節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y₂(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p21(s)所觸發(fā)；

E2：在控制解耦器CD2中，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號x₂(s)減去反饋信號y₂(s)得到誤差信號e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y₂(s)；對e₂(s)實施控制算法C₂(s)，并將其輸出信號作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出信號y_p12(s)；將信號y_p12(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡通路向控制解耦器CD1節(jié)點傳輸，信號y_p12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₁₂后，才能到達控制解耦器CD1節(jié)點；

E3：將誤差信號e₂(s)與反饋信號y₂(s)相加得到誤差信號e₄(s)，即e₄(s)＝e₂(s)+y₂(s)；對e₄(s)實施控制算法C₂(s)，得到其輸出信號u₂(s)；將信號u₂(s)與來自交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p21(s)相加，得到控制解耦輸出信號u_2a(s)，即u_2a(s)＝u₂(s)+y_p21(s)；

E4：將信號u_2a(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡通路單元向執(zhí)行器A2節(jié)點傳輸，u_2a(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₃后，才能到執(zhí)行器A2節(jié)點；

方式F的步驟包括：

F1：執(zhí)行器A2節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被信號u_2a(s)所觸發(fā)；

F2：執(zhí)行器A2節(jié)點被觸發(fā)后，將對來自傳感器S2節(jié)點的反饋信號y₂(s)實施控制算法C₂(s)，得到輸出其輸出信號u_2b(s)；

F3：將信號u_2a(s)與信號u_2b(s)相減，得到輸出信號u_2c(s)，即u_2c(s)＝u_2a(s)-u_2b(s)；

F4：將信號u_2c(s)作用于被控對象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號u_2c(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)對時變網(wǎng)絡時延τ₃和τ₄的補償與控制。

本發(fā)明具有如下特點：

1、由于從結構上免除對TITO-NDCS中，時變網(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，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，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結構上，實現(xiàn)與具體的網(wǎng)絡通信協(xié)議的選擇無關，因而既適用于采用有線網(wǎng)絡協(xié)議的TITO-NDCS，亦適用于無線網(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；既適用于異構網(wǎng)絡構成的TITO-NDCS，同時亦適用于異質(zhì)網(wǎng)絡構成的TITO-NDCS。

3、由于從TITO-NDCS結構上，實現(xiàn)與具體控制器的控制策略的選擇無關，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結構的補償與控制方法，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的典型結構

圖1中，系統(tǒng)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；τ_ca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；τ_sc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的典型結構

圖2中，系統(tǒng)由r個傳感器S節(jié)點，控制解耦器CD節(jié)點，m個執(zhí)行器A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：y_j(s)表示系統(tǒng)的第j個輸出信號；u_i(s)表示系統(tǒng)的第i個控制信號；表示將控制解耦信號u_i(s)從控制解耦器CD節(jié)點向第i個執(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；表示將系統(tǒng)的第j個傳感器S節(jié)點的檢測信號y_j(s)向控制解耦器CD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的典型結構

圖3由閉環(huán)控制回路1和2所構成，系統(tǒng)包含傳感器S1和S2節(jié)點，控制解耦器CD1和CD2節(jié)點，執(zhí)行器A1和A2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)，交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)和P₁₂(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)輸入信號；y₁(s)和y₂(s)表示系統(tǒng)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；y_p21(s)和y_p12(s)表示交叉解耦通路輸出信號；u_1a(s)和u_2a(s)表示控制解耦信號；τ₁和τ₃表示將控制解耦信號u_1a(s)和u_2a(s)從控制解耦器CD1和CD2節(jié)點向執(zhí)行器A1和A2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)向控制解耦器CD1和CD2節(jié)點傳輸所經(jīng)歷的反饋網(wǎng)絡通路傳輸時延；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y_p21(s)和y_p12(s)向控制解耦器CD2和CD1節(jié)點傳輸所經(jīng)歷的網(wǎng)絡通路傳輸時延。

圖4：一種包含預估模型的TITO-NDCS時延補償與控制結構

圖4中，以及是網(wǎng)絡傳輸時延以及的預估模型；以及是網(wǎng)絡傳輸時延以及的預估模型；C_1m(s)和C_2m(s)是控制器C₁(s)和C₂(s)的預估控制器。

圖5：用真實模型代替預估模型的TITO-NDCS時延補償與控制結構

圖6：一種雙輸入雙輸出網(wǎng)絡解耦控制系統(tǒng)時變時延補償方法

圖6可實現(xiàn)對閉環(huán)控制回路1和2中時變網(wǎng)絡時延的補償與控制。

具體實施方式

下面將通過參照附圖6來詳細描述本發(fā)明的示例性實施例，使本領域的普通技術人員更清楚本發(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，其觸發(fā)信號為周期h₁的采樣信號；當傳感器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)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)，且y₁(s)＝y(tǒng)₁₁(s)+y₁₂(s)；

第二步：傳感器S1節(jié)點將反饋信號y₁(s)，通過閉環(huán)控制回路1的反饋網(wǎng)絡通路向控制解耦器CD1節(jié)點傳輸，反饋信號y₁(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₂后，才能到達控制解耦器CD1節(jié)點；

第三步：控制解耦器CD1節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y₁(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p12(s)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y₁(s)得到誤差信號e₁(s)，即e₁(s)＝x₁(s)-y₁(s)；對e₁(s)實施控制算法C₁(s)，并將其輸出信號作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₂₁(s)得到其輸出信號y_p21(s)；將信號y_p21(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡通路向控制解耦器CD2節(jié)點傳輸，信號y_p21(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₂₁后，才能到達控制解耦器CD2節(jié)點；

第四步：將誤差信號e₁(s)與反饋信號y₁(s)相加得到誤差信號e₃(s)，即e₃(s)＝e₁(s)+y₁(s)；對e₃(s)實施控制算法C₁(s)，得到其輸出信號u₁(s)；將信號u₁(s)與來自交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p12(s)相加，得到控制解耦輸出信號u_1a(s)，即u_1a(s)＝u₁(s)+y_p12(s)；

第五步：將信號u_1a(s)通過閉環(huán)控制回路1的前向網(wǎng)絡通路單元向執(zhí)行器A1節(jié)點傳輸，u_1a(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₁后，才能到執(zhí)行器A1節(jié)點；

第六步：執(zhí)行器A1節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被信號u_1a(s)觸發(fā)后，將對來自傳感器S1節(jié)點的反饋信號y₁(s)實施控制算法C₁(s)，得到輸出其輸出信號u_1b(s)；將信號u_1a(s)與信號u_1b(s)相減，得到輸出信號u_1c(s)，即u_1c(s)＝u_1a(s)-u_1b(s)；

第七步：將信號u_1c(s)作用于被控對象G₁₁(s)得到其輸出值y₁₁(s)；將信號u_1c(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)對時變網(wǎng)絡時延τ₁和τ₂的補償與控制；

第八步：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，其觸發(fā)信號為周期h₂的采樣信號；當傳感器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)，即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)絡通路向控制解耦器CD2節(jié)點傳輸，反饋信號y₂(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₄后，才能到達控制解耦器CD2節(jié)點；

第三步：控制解耦器CD2節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被反饋信號y₂(s)或者被交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p21(s)觸發(fā)后，將閉環(huán)控制回路2的系統(tǒng)給定信號x₂(s)減去反饋信號y₂(s)得到誤差信號e₂(s)，即e₂(s)＝x₂(s)-y₂(s)；對e₂(s)實施控制算法C₂(s)，并將其輸出信號作用于交叉解耦通道傳遞函數(shù)P₁₂(s)得到其輸出信號y_p12(s)；將信號y_p12(s)通過交叉解耦網(wǎng)絡通路向控制解耦器CD1節(jié)點傳輸，信號y_p12(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₁₂后，才能到達控制解耦器CD1節(jié)點；

第四步：將誤差信號e₂(s)與反饋信號y₂(s)相加得到誤差信號e₄(s)，即e₄(s)＝e₂(s)+y₂(s)；對e₄(s)實施控制算法C₂(s)，得到其輸出信號u₂(s)；將信號u₂(s)與來自交叉解耦網(wǎng)絡通路單元的輸出信號y_p21(s)相加，得到控制解耦輸出信號u_2a(s)，即u_2a(s)＝u₂(s)+y_p21(s)；

第五步：將信號u_2a(s)通過閉環(huán)控制回路2的前向網(wǎng)絡通路單元向執(zhí)行器A2節(jié)點傳輸，u_2a(s)將經(jīng)歷網(wǎng)絡傳輸時延τ₃后，才能到執(zhí)行器A2節(jié)點；

第六步：執(zhí)行器A2節(jié)點工作于事件驅(qū)動方式，被信號u_2a(s)觸發(fā)后，將對來自傳感器S2節(jié)點的反饋信號y₂(s)實施控制算法C₂(s)，得到輸出其輸出信號u_2b(s)；將信號u_2a(s)與信號u_2b(s)相減，得到輸出信號u_2c(s)，即u_2c(s)＝u_2a(s)-u_2b(s)；

第七步：將信號u_2c(s)作用于被控對象G₂₂(s)得到其輸出值y₂₂(s)；將信號u_2c(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)對時變網(wǎng)絡時延τ₃和τ₄的補償與控制；

第八步：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)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。