網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時延分析、建模與控制.pdf

1、隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control System, NCS)被逐步應(yīng)用到控制工程中，因其具有系統(tǒng)連線少、易于擴展以及能夠?qū)崿F(xiàn)信息資源共享等優(yōu)點，受到了控制界的廣泛關(guān)注。但通信網(wǎng)絡(luò)的引入，使得控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了如網(wǎng)絡(luò)時延、時序錯亂、數(shù)據(jù)包的多包傳輸及丟失等許多新的問題。因此，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析、建模與控制成了目前控制理論與控制工程領(lǐng)域的熱點研究課題。
　　 本文通過

2、對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中時延特性的分析，建立了不同時延條件下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，以及丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，并研究了與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相適應(yīng)的分析和設(shè)計方法，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供了有意參考。具體研究成果如下：
　　 (1)在研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生背景、概念及優(yōu)點的基礎(chǔ)上，著重分析了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在的幾個主要問題及其近年來的研究進展，并從中總結(jié)出了有研究意義和應(yīng)用價值的研究方向，為以后的工作奠定了基礎(chǔ)。
　　 (2)研究了

3、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)時延的組成、成因以及不同類型的時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性能的影響；具體分析了三種典型控制網(wǎng)絡(luò)ControlNet、DeviceNet、Ethernet的特點和性能，討論了不同控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時延對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的影響，在此基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的適用場合和選擇標(biāo)準(zhǔn)；重點研究了兩種節(jié)點驅(qū)動方式的工作原理，以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點驅(qū)動方式的四種不同組合，分析了驅(qū)動方式導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)時延的機理，并提出了驅(qū)動方式的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

4、　　 (3)研究了時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模問題，首先給出了單輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連續(xù)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，建立了帶有系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲的多傳感器多執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連續(xù)數(shù)學(xué)模型；建立了短時延單包傳輸和多包傳輸且無數(shù)據(jù)包丟失情況下的離散數(shù)學(xué)模型；拓展了原有時延小于一個采樣周期的假設(shè)條件，建立了大于一個采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在四種不同節(jié)點驅(qū)動方式下的開環(huán)離散數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)一的離散數(shù)學(xué)模型；建立了帶有系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲的任意有界時延的多傳感器

5、多執(zhí)行器閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型。
　　 (4)研究了具有數(shù)據(jù)包丟失的時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與穩(wěn)定性問題。利用異步動態(tài)系統(tǒng)理論，將控制網(wǎng)絡(luò)等效為切換開關(guān)，從簡單的單邊短時延單包傳輸?shù)膩G包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模入手，提出了雙邊網(wǎng)絡(luò)與單邊網(wǎng)絡(luò)等效的理論；隨后將這一理論，運用到了單包長時延和多包短時延丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模中；利用Lyapunov穩(wěn)定性理論分別對單包短時延、單包長時延、多包短時延等丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行了穩(wěn)定性分析，推導(dǎo)

6、出了系統(tǒng)指數(shù)漸近穩(wěn)定的條件，并應(yīng)用仿真算例驗證了建模方法的有效性和可行性。
　　 (5)研究了網(wǎng)絡(luò)時延時變且變化范圍已知情況下，一類離散時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒H∞控制問題。通過選取適當(dāng)?shù)腖yapunov函數(shù)，在狀態(tài)反饋控制和輸出反饋控制兩種情況下，分別得到了保證閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的條件，進而利用線性矩陣不等式(LMI)，提出了滿足控制性能指標(biāo)的最優(yōu)控制器設(shè)計方法。
　　 (6)研究了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)的特點，結(jié)構(gòu)及工作

7、原理，具體分析了其學(xué)習(xí)方法和控制過程，在離線狀態(tài)下訓(xùn)練得到了一個滿足系統(tǒng)控制要求的FNN控制器。以二階直流電機為被控對象構(gòu)建了仿真網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分別在無固定網(wǎng)絡(luò)時延及無外部擾動、存在固定網(wǎng)絡(luò)時延及外部擾動、丟包網(wǎng)絡(luò)、不同控制網(wǎng)絡(luò)條件下進行了仿真研究。通過對比實驗表明，F(xiàn)NN控制器不僅在相同網(wǎng)絡(luò)條件下的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PD控制，對外界的擾動有明顯的抑制作用，而且網(wǎng)絡(luò)條件的變化也表現(xiàn)出了很好的適應(yīng)能力，具有極強的魯棒性，完全適合于網(wǎng)絡(luò)

8、控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用。
　　 (7)研究了具有典型強非線特性的彈簧連接雙倒立擺耦合模型為被控對象的非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制問題。首先，對被控對象進行數(shù)學(xué)建模，接著利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解的方法，將模型轉(zhuǎn)化為多個關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，從而將非線性模型變換為線性模型，進而利用線性二次型最優(yōu)控制理論設(shè)計出了魯棒控制器；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)信號時序的一般特性，開發(fā)設(shè)計了一個通用網(wǎng)絡(luò)通信模塊；通過分別連接通用網(wǎng)絡(luò)通信模塊和TrueTime網(wǎng)絡(luò)通信模塊建立