网络化并联式串级控制系统时延补偿与控制杜锋科学计算机与互联网书籍 pdf下载

本书对网络化并联式串级控制系统的研究方路线、使用范围与特点、系统结构以及控制器设计等内容行详细分析与研究。针对网络化并联式串级控制系统，提出基本概念、定义与5种基本结构形式，以及17种基于新型Smith预估控制和内模控制的网络时延补偿与控制方法。结合实例，验证所提方法能够提高系统稳定性、改善动态性能、增强系统对反馈网络通路数据的鲁棒性，以及协同实现网络调度与能。以真实网络数据传输过程代替其间网络时延预估补偿模型，实现免除对网络时延的测量、估计或辨识，降低系统对节点时钟信号同步的要求。 本书可供广域过程控制相关专业技术领域从事教学与科研、系统设计、工程应用等人员阅读与参考。

前言

主要符号表

主要缩略语

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 PCCS研究状况

1.2.2 NCCS研究状况

1.2.3 NPCCS研究状况

1.3 技术难点

1.4 研究内容

1.5 研究目标

1.6 关键科学问题

1.7 与创新性

1.7.1 新的研究思路

1.7.2 新的研究方法

1.8 内容安排

1.9 本章小结

参考文献

第2章 NPCCS结构分析

2.1 引言

2.2 连接矩阵和传输矩阵

2.2.1 设备连接矩阵

2.2.2 网络传输矩阵

2.3 NPCCS结构分类

2.3.1 TYPEⅠNPCCS

2.3.2 TYPEⅡNPCCS

2.3.3 TYPEⅢNPCCS

2.3.4 TYPEⅣNPCCS

2.3.5 TYPEⅤNPCCS

2.4 内外网络选择

2.5 补偿控制难点

2.6 工具介绍

2.7 本章小结

参考文献

第3章 新型SPC方法

3.1 引言

3.2 常规SPC方法

3.3 常规SPC研究与应用

3.4 基于常规SPC的NCS

3.5 基于新型SPC（1）方法的NCS

3.6 基于新型SPC（2）方法的NCS

3.7 本章小结

参考文献

第4章 新型IMC方法

4.1 引言

4.2 常规IMC方法

4.3 常规IMC研究与应用

4.4 基于常规IMC的NCS

4.5 基于新型IMC（1）方法的NCS

4.6 基于新型IMC（2）方法的NCS

4.7 基于新型IMC（3）方法的NCS

4.8 内模控制器设计

4.8.1 前馈控制器

4.8.2 前馈滤波器

4.8.3 内模控制器

4.8.4 反馈滤波器

4.9 内模控制器分析

4.9.1 基于新型IMC（1）方法的内模控制器

4.9.2 基于新型IMC（2）方法的内模控制器

4.9.3 基于新型IMC（3）方法的内模控制器

4.10 本章小结

参考文献

第5章 时延补偿与控制方法（1）

5.1 引言

5.2 方法（1）设计与实现

5.2.1 基本思路

5.2.2 技术路线

5.2.3 结构分析

5.2.4 控制器选择

5.3 适用范围

5.4 方法特点

5.5 实例

5.5.1 设计

5.5.2 研究

5.5.3 结果分析

5.6 本章小结

参考文献

第6章 时延补偿与控制方法（2）

6.1 引言

6.2 方法（2）设计与实现

6.2.1 基本思路

6.2.2 技术路线

6.2.3 结构分析

6.2.4 控制器选择

6.3 适用范围

6.4 方法特点

6.5 实例

6.5.1 设计

6.5.2 研究

6.5.3 结果分析

6.6 本章小结

第7章 时延补偿与控制方法（3）

7.1 引言

7.2 方法（3）设计与实现

7.2.1 基本思路

7.2.2 技术路线

7.2.3 结构分析

7.2.4 控制器选择

7.3 适用范围

7.4 方法特点

7.5 实例

7.5.1 设计

7.5.2 研究

7.5.3 结果分析

7.6 本章小结

第8章 时延补偿与控制方法（4）

8.1 引言

8.2 方法（4）设计与实现

8.2.1 基本思路

8.2.2 技术路线

8.2.3 结构分析

8.2.4 控制器选择

8.3 适用范围

8.4 方法特点

8.5 实例

8.5.1 设计

8.5.2 研究

8.5.3 结果分析

8.6 本章小结

第9章 时延补偿与控制方法（5）

9.1 引言

9.2 方法（5）设计与实现

9.2.1 基本思路

9.2.2 技术路线

9.2.3 结构分析

9.2.4 控制器选择

9.3 适用范围

9.4 方法特点

9.5 实例

9.5.1 设计

9.5.2 研究

9.5.3 结果分析

9.6 本章小结

第10章 时延补偿与控制方法（6）

10.1 引言

10.2 方法（6）设计与实现

10.2.1 基本思路

10.2.2 技术路线

10.2.3 结构分析

10.2.4 控制器选择

10.3 适用范围

10.4 方法特点

10.5 实例

10.5.1 设计

10.5.2 研究

10.5.3 结果分析

10.6 本章小结

第11章 时延补偿与控制方法（7）

11.1 引言

11.2 方法（7）设计与实现

11.2.1 基本思路

11.2.2 技术路线

11.2.3 结构分析

11.2.4 控制器选择

11.3 适用范围

11.4 方法特点

11.5 实例

11.5.1 设计

11.5.2 研究

11.5.3 结果分析

11.6 本章小结

第12章 时延补偿与控制方法（8）

12.1 引言

12.2 方法（8）设计与实现

12.2.1 基本思路

12.2.2 技术路线

12.2.3 结构分析

12.2.4 控制器选择

12.3 适用范围

12.4 方法特点

12.5 实例

12.5.1 设计

12.5.2 研究

12.5.3 结果分析

12.6 本章小结

第13章 时延补偿与控制方法（9）

13.1 引言

13.2 方法（9）设计与实现

13.2.1 基本思路

13.2.2 技术路线

13.2.3 结构分析

13.2.4 控制器选择

13.3 适用范围

13.4 方法特点

13.5

并联式串级控制系统（PCCS）的结构虽然和串联式串级控制系统（SCCS）类似，但其构筑思想有很大差别。PCCS具有主与副两个闭环控制回路，但是副变量不作为主对象输入，主与副两个闭环控制回路的被控对象是“并行的”，其系统结构有利于提高系统的控制品质。PCCS已广泛应用于实际复杂工业过程控制中，改善系统动态性能和抗干扰能力。将实时通信网络插入PCCS的主闭环控制回路和副闭环控制回路中，构成网络化并联式串级控制系统（NPCCS），实现系统的传感器和控制器、控制器和执行器之间的数据通过网行传输与交换。NPCCS可以实现远程实时、在线与动态控制，实现节点资源共享，便于系统维护与故障诊断。同时，还具有PCCS克服干扰和提高主闭环控制回路性能的优点。但是，网络的引入不可避免地导致许多亟待解决的问题，其中网络时延的存在会降低系统控制性能质量，甚至导致系统丧失稳定性。传统的控制理论难以直接用于NPCCS中，网络为NPCCS的研究与工程应用带来了新的机遇与挑战。本书提出5种NPCCS的基本结构形式，从理论上提出解决NPCCS中网络时延“测不准”技术难题的新方法与新思路。另外，本书基于系统结构“工程可实现化”的创新性研究方法，针对NPCCS提出17种基于新型Smith预估控制（SPC）和内模控制（IMC）的网络时延补偿与控制方法。以真实网络数据传输过程代替其间网络时延预估补偿模型，从系统结构上实现并满足网络时延补偿的时延条件。免除对随机、时变与不确定性网络时延的测量、估计或辨识，降低系统对节点时钟信号同步的要求，避免网络时延造成的“空采样”或“多采样”带来的补偿误差。这些方法的实施与应用，与具体网络通信协议的选择无关。本书所提出的新方法融合了理论研究的严谨性、工程应用的可实现性与实用性的特点，具有工程应用前景，使NPCCS网络时延补偿与控制理论研究工作取得一定展与突破。作者从系统性、实用性、可读性和新颖性等角度撰写本书，并给出大量研究实例，力求既兼顾原理与研究方法，又注重研究思路与研究过程中具体问题的分析与求解。本书的主要内容源于作者长期从事实际工业过程控制系统的设计与运行（1984年开始），以及网络控制系统（NCS）的研究工作（2002年开始）中所取得的工程应用与实践经验的积累结。本书涉及的科研成果是作者在国家自然科学专项项目“复杂网络环境下NDCS时延补偿与控制协同网络调度关键技术研究”（6214130pan>）、国家自然科学项目“网络资源受限和大时延下的复杂网络控制系统研究”（6126300pan>）、国家国际科技合作专项项目“海上多智能体应急搜救技术联合研究”（2015DFR10510）、海南省高等学校教育教学改革研究项目“基于大数据的微课教学有效性评价指标体系构建研究”（Hnjg2020ZD-42）、海南省教育科学规划项目“教育信息化2.0背景下师范生信息技术应用能力评价指标体系构建研究”（QJZ20211007），以及海南省自然科学项目“远程手术网络控制系统中的信号解耦与时延补偿研究”（621QN245）等资助下取得的。本书相关的科研工作得到南海海洋资源利用国家实验室、海南省海洋通信与网络工程技术研究中心，以及海南大学的大力支持，在此表示感谢！在本书撰写过程中，马莲姑、马冰、黎锦钰、唐银清和蒋璐璐协助完成第pan>～4章的撰写工作，马冰、唐银清、马莲姑、黎锦钰和雷协助完成第5~2pan>章的撰写工作，在此对他们表示感谢！后，衷心感谢我的导师中国工程院院士钱清泉教授把我引入NCS的研究与应用领域中并一直工作至今。

由于作者有限，书中难免存在不妥之处，殷切希望广大读者批评与指正。

杜锋

2022年3月

第1章 绪论
　　1.1 研究目的与意义
　　通过通信网络传输与交换控制系统中的实时数据，构成基于网络的实时闭环反馈控制系统，即网络控制系统(networked control system，NCS)[1]。NCS避免了传统控制系统中存在的一些缺陷，如布线复杂、灵活性较差、信息资源共享困难等[2，3]。NCS现已广泛应用于石油化工、复杂工业过程控制、国防军事、等多个领域[4-7]。
　　串级控制系统(cascade control system，CCS)是一种在过程控制工程中，被广泛使用的控制系统。CCS能够实现快速入副闭环控制回路的扰动，改善闭环控制系统的动态性能和抗干扰能力，是增强单回路控制系统性能质量的方法之一[8]，并被广泛应用于温度、流量和压力等参数的过程控制中[9]。CCS通含两个闭环控制回路，即一个主闭环控制回路(primary closed control loop，PCCL)和一个副闭环控制回路(secondary closed control loop，SCCL)。CCS通常有两种类型的控制系统结构：一种是串联式串级控制系统(series cascade control system，SCCS)结构；另一种是并联式串级控制系统(parallel cascade control system，PCCS)结构。
　　SCCS结构是指系统的操纵变量(u2)首先影响系统的副闭环控制回路的被控变量(y2)，然后副闭环控制回路的被控变量(y2)直接影响系统的主闭环控制回路的被控变量(y1)。系统主闭环控制回路的被控对象(P1)与副闭环控制回路的被控对象(P2)之间是“串联式”连接的。SCCS典型结构如图1-1所示。
　　图1-1 SCCS典型结构
　　SCCS能够快速入副闭环控制回路的干扰所产生的不良影响，提高系统的控制性能质量[10]，并能够屏蔽副闭环控制回路被控对象的非线性。然而，它可能存在于主闭环控制回路和副闭环控制回路之间，容易以及参数整定困难等缺点。
　　PCCS结构由Luyben提出[11]，是指系统的操纵变量(u2)同时直接影响系统的主闭环控制回路的被控变量(y1)和副闭环控制回路的被控变量(y2)。系统的主闭环控制回路的被控对象(P1)与副闭环控制回路的被控对象(P2)之间是“并联式”连接的。PCCS的主控制器(C1)，使主闭环控制回路的被控变量(y1)跟踪系统的给定信号(r)，并克入主闭环控制回路的外界干扰信号(d1)对系统的影响，保持系统良好的动态跟踪性能。而系统的副控制器(C2)，用于克入副闭环控制回路的外界干扰信号(d2)对系统的影响。
　　从抗干扰的角度出发，在PCCS中，副控制器间接地充当了一个前馈控制器，其抗干扰的原理类似于前馈控制，所不同的是前馈控制系统中，对干扰信号的要求是必须可测量的。而PCCS既适用于可以测量的干扰信号，同时也适用于不可以测量的干扰信号。PCCS充分利用了副闭环控制回路的输出信号，提高了系统的控制性能质量。PCCS典型结构如图1-2所示。
　　图1-2 PCCS典型结构
　　PCCS构筑思想与SCCS有很大的差别，这对于提高系统的控制品质有很大的帮助。在实际工业过程控制中，采用SCCS结构方式还是采用PCCS结构方式，与具性能质量要求，以及过程特征等因素直接相关联。尽管PCCS已被大量应用于飞行系统控制、工业过程控制等多个领域，但是在现有PCCS的研究与应用中，数据信号的传输都是通过信号线路，采用点对点连接加以实现。因此，难以实现系统中节点之间数据信号资源的共享，系统维护与故障诊断困难，很难实现异地以及远程的实时在线与动态过程控制。
　　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与应用需求，越来越多的网络技术应用于过程控制系统中。将实时通信网络插入PCCS的主传感器与主控制器节点、副传感器与副控制器节点、主控制器与副控制器节点，以及副控制器与执行器节点之间，构成了一个实时闭环的网络化并联式串级控制系统(networked parallel cascade control system，NPCCS)。
　　NPCCS是一类特殊的NCS，它充分结合了NCS和PCCS的优点，既可降低系统信号线路的成本，提高系统诊断与维护，实现节点之间数据资源的共享、节点智能化、能分散化、远程控制便利化；又可以有效克服外部干扰的影响，提高系统的控制性能质量。然而，由于NPCCS通过实时通信网行数据传输，网络的引入不可避免地带来了一系列新的问题。例如，可能存在网络数据传输、多路径传输、数据碰撞、网络拥塞，甚至连接中断等现象，使得NPCCS面临着诸多新的挑战。网络时延的存在将使控制系统的性能质量恶化，导致系统失去稳定性，甚至出现故障，严重时危及生产运行。因此，研究NPCCS网络时延的补偿与控制，对于其在工程中的应用具有重要的理论意义与实际应用价值。NPCCS典型结构如图1-3所示。
　　图1-3 NPCCS典型结构
　　1.2 国内外研究现状
　　1.2.1 PCCS研究状况
　　PCCS是一个单输入双输出(single-input and two-output，SITO)系统，具有主与副两个闭环控制系统回路。然而，主被控对象的输入含副变量，主与副闭环控制回路的被控对象是“并行”连接的。从抗干扰的角度来看，副控制器间接地作为一个前馈控制器，抗干扰原理与前馈控制不同之处在于：在前馈控制系统中扰动信号必须是可以测量的，而PCCS对于不可以测量的扰动信号同样适用[12]。
　　SCCS主要关注的是主闭环控制系统回路的输出特性，而PCCS除了扰动信号对系统的影响之外，还考虑了副闭环控制系统回路的输出特性。例如，精馏塔和化学反应器的过程控制中，精馏塔的塔顶产品与塔板温度的控制系统，就是一个典型的PCCS应用范例。其回流比(操纵变量)料流量或成分(扰动)，影响顶部产品的纯度(主输出)和塔板温度(副输出)。控制的目的是减少系统的运行费用，维持产品的纯度在设定点上，通过PCCS控制方式控制塔板温度，克服扰动信号对产品质量的影响[13]。PCCS由于操纵变量和干扰都是通过并联方式产生作用，影响主与副闭环控制回路输出的控制系统，因此，通常可用于石油与化工生产过程中的产品质量控制。
　　当副闭环控制回路具有较快的动态响应特性，并且副闭环控制回路中的干扰严重影响主闭环控制回路中的系统输出时；或者系统对于主闭环控制回路的输出采样周期较长时，采用PCCS能够有效干扰的影响，减少主闭环控制回路中系统输出的稳态误差。PCCS具有明显的技术优势，能够使系统达到更好的控制品质，获得较好的经济效益。
　　文献[14]～[16]以化工过程精馏塔CCS为例，针对其系统超调量、稳定时间和稳态误差等性能指标，详细分析与对比研究了基于SCCS和PCCS的性能控制质量。其研究结果表明，PCCS的超调量*小而提高了过程的控制性能质量。文献[17]讨论了PCCS的应用中干扰与负载响应的问题，以确定PCCS是否有利于负载响应与干扰的作用。文献[18]将文献[17]的研究结果应用于PCCS二次测量的选择，提出了一种在不同干扰下选择PCCS二次测量的方法。文献[19]在主闭环控制回路和副闭环控制回路中的控制器之间，增加了滤波器，提高了控制系统的性能质量。文献[20]开发了一种组合结构，在副闭环控制回路中使用传统的反馈控制器，在主闭环控制回路中使用内模控制(internal model control，IMC)，用于降低主与副闭环控制回路控制器之间的相互影响，便于参数调整。文献[21]采用控制技术，为德国费斯托(FESTO)公司过程自动化模块生产系统(modular production system of automatic process，MPS-AP)开发了流量和压力的控制策略。
　　在PCCS的研究中，首先遇到的问题是，设定点的性能与负载响应之间的矛盾。例如，主闭环控制回路中的干扰，取决于副闭环控制回路中的干扰和设定点跟踪控制问题。在PCCS中，当副闭环控制回路中的干扰被优化时，经常发现设定点响应会变差(反之亦然)，这可能导致主闭环控制回路中的干扰的恶化；同时，实现良好的干扰和设定点跟踪的困难也发生在主控制器的设计中，即系统在跟踪控制与干扰控制这两个方面存在着耦合关系。其次，遇到的是比例-积分-微分(proportion-integral-differential，PID)控制器的参数整定问题。对于给定的PCCS结构，通过调整两个控制回路中的PID控制器参数，实现其闭环控制性能。然而，基于相应的过程模型和独立调整主控制器和副控制器的*简单的解决方案通常是无效的，因为它忽略了两个闭环控制回路之间的强相互作用。一种广泛使用的替代方案是，使用类似于用于调整SCCS标准程序的两步骤方法。首先，副控制器基于副闭环控制回路过程的动态模行调整，主控制器处于手动模式；然后，使用自动获得的副闭环控制回路的动态模型调整主控制器。但是，在这种方法中，如果由于某种原因需要重新调整副控制器，则主控制器也需要重新调整[22]。
　　文献[23]研究了PCCS的继电器自整定，采用方法，利用Ziegler-Nichols整定，设计了内环和外环控制器，即PI控制器和PID控制器，并与Saraf和Bequette提出的PCCS同步继电整定方行比较，其结果表明了文献[23]所提方法的有效性。文献[24]提出一种利用设定值继电器自整定，整定PCCS中PI控制器的新方法。其结果表明，采用IMC-PID方法，可以获得较好的控制性能质量。
　　在PCCS的工业过程控制应用中，流体输送等传输过程通常都存在纯滞后等环节。存在的纯滞后增加了系统的相位延迟，减小了系统的传递函数增益和相位裕度，对控制器的增益施加了限制作用，可能增加控制系统的不稳定性，并因此限制可实现的闭环控制系统的性能质量。在PCCS的实际应用过程中，内闭环控制回路的控制过程纯滞后，通常较小或可以忽略。而其外闭环控制回路的控制过程与其内闭环控制回路的控制过程相比，具有较大的纯滞后，从而降低了系统设定点响应与负载扰动的能力而导致了系统的控制响应性能变差。
　　文献[25]研究并使用非线性推理并联式串级控制(nonlinear inferential parallel cascade control，NIPCC)方法，提高控制系统的性能质量，提出NIPCC方法的目的是使所采用的反馈控制能够更快地检测和补偿干扰的影响，其NIPCC方法的行为类似于前馈控制，但NIPCC在本质上仍是反馈控制。文献[26]证明，PCCS和单输入单输出(single-input and single-output，SISO)控制技术相比，采用PCCS策略可以实现的性能和容错能力；并且文献[26]提出了一种针对生物控制系统的PCCS策略，通过使用*优控制理论，设计并联式控制器用于调节动脉血压，与传统的PCCS相比，其控制性能得到了较好的。文献[27]根据*小方差和PCCS的丢番图分解，针对可实现的性能指标，评估了PCCS的技术方案。文献[28]提出一种利用丢番图方程的分解技术，可以直接得到*优控制器，通过一个实例，验证了所提方法的有效性，并与之前的结行比较。文献[12]针对PCCS结构，分析了系统的抗扰动性能。通过定性和定量分析系统特征参数，揭示了PCCS抗扰动的基本原理，行了验证。同时，给出了PCCS的使用范围与具体条件，系统的设计和取值有着很大的关系：当时，系统的主控制器可以采用PI控制器，而副控制器依赖系统的被控对象传递函数等参数；当时，PI控制器可以用于设计……