收藏本站
《中国科学技术大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

基于隐马尔可夫模型的网络化控制系统建模与控制

葛愿  
【摘要】:网络化控制系统是一种通过实时通信网络进行数据交换的分布式反馈控制系统。与传统的点对点控制系统相比,网络化控制系统具有减少系统布线、易于系统扩展和维护、增强系统灵活性和可靠性等优点。然而,由于网络带宽是有限的,导致数据在网络传输过程中不可避免地存在网络诱导时延。而且,由于受到网络负荷、节点竞争、网络堵塞等诸多表征网络状态的随机因素的影响,网络时延往往呈现出随机变化的特征。网络时延是导致网络化控制系统性能下降甚至不稳定的主要原因,寻找有效的网络时延建模方法在网络化控制系统建模与控制研究中占有重要地位。在这一背景下,本论文从网络时延受控于网络状态这一时延产生机理出发,引入离散时间隐马尔可夫模型对网络时延进行建模研究,并在此基础上研究仅存在前向网络短时延的网络化控制系统的建模与控制问题。具体内容包含以下几个方面: 1.建立网络时延的离散时间隐马尔可夫模型,并在此基础上实现对当前采样周期内前向网络时延的预测。首先,分别采用平均量化法和K-均值聚类量化法对网络时延进行量化处理。然后,用网络状态构成隐含的马尔可夫链过程,用时延量化序列构成可见的观察过程,建立网络时延的离散时间隐马尔可夫模型,并采用不完全数据期望最大化算法对离散时间隐马尔可夫模型进行训练,得到模型参数的最优估计。最后,利用Viterbi算法估计与时延序列相对应的网络状态序列,并与离散时间隐马尔可夫模型参数相结合预测出当前采样周期内的前向网络时延。在平均量化下选择时延所在子区间的中点作为时延预测值,而在K-均值聚类量化下选择时延所在类的聚类中心作为时延预测值。 2.基于网络时延的离散时间隐马尔可夫模型设计网络化控制系统的状态反馈控制器,补偿了网络时延对系统性能的影响。首先,根据网络状态的马尔可夫特性将网络化控制系统建模成一个典型的离散时间马尔可夫跳变线性系统。然后,借助马尔可夫跳变线性系统的随机稳定性理论得到网络化控制系统随机稳定的充分条件,并在受控对象状态完全反馈的情况下利用该充分条件设计状态反馈控制器。进一步利用Schur补引理将状态反馈控制器的设计问题转换成线性矩阵不等式的求解问题。由于状态反馈控制器的设计过程考虑了当前采样周期内前向网络时延的预测值,所以直接补偿了时延对系统性能的影响。最后,通过仿真实验验证了所设状态反馈控制器的有效性。 3.在给定性能指标下,基于网络时延的离散时间隐马尔可夫模型设计网络化控制系统的最优控制器,获得了比状态反馈控制器更好的时延补偿效果。首先,将当前采样周期的受控对象状态和前一采样周期的控制律合并定义成一个增广状态,从而将网络化控制系统建模成一个增广状态系统模型。然后,基于贝尔曼动态规划原理设计系统在给定性能指标下的最优控制器,并且研究系统在该控制器下的指数均方稳定性问题。由于最优控制器的设计过程考虑了当前采样周期内前向网络时延的预测值,所以直接补偿了时延对系统性能的影响,而且补偿效果优于状态反馈控制器。最后,通过仿真实验验证了所设最优控制器的有效性和优越性。 4.利用TrueTime1.5工具箱为网络化控制系统设计Matlab/Simulink环境下的仿真平台:NCS-SP。使用TrueTime1.5中的Kernel模块设计NCS-SP中的传感器、控制器、执行器和干扰节点,使用TrueTime1.5中的Network模块设计控制器到执行器之间的网络,使用Simulink中的State-Space模块设计受控对象阻尼复摆。在NCS-SP上验证了本论文关于网络时延的建模和预测算法以及用来补偿时延对系统影响的系统建模与控制器设计方法,并且通过对比实验验证了K-均值聚类量化法相对于平均量化法的优越性以及最优控制器相对于状态反馈控制器的优越性。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TP273

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 苏丹;基于半监督学习的汉语韵律短语预测研究[D];天津师范大学;2012年
2 潘健;四自由度机械臂网络化远程控制系统的设计与实现[D];安徽工程大学;2012年
3 张晓锋;空间机器人遥操作系统延时控制策略研究[D];北京邮电大学;2013年
4 秦毅;食品可追溯企业决策意愿建模及分析[D];江南大学;2013年
5 杨忠山;基于VQ/HMM的强对流天气识别方法研究[D];天津大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 尹逊和;李斌;宋永端;张红;;网络控制系统的变采样周期调度算法[J];北京交通大学学报;2010年05期
2 常玲芳;李惠光;;随机最优非线性网络控制系统设计[J];电机与控制学报;2006年04期
3 李雯;戴金海;;航天领域研究网络控制系统的必要性分析[J];航天控制;2008年05期
4 ;Robust Fuzzy Tracking Control for Nonlinear Networked Control Systems with Integral Quadratic Constraints[J];International Journal of Automation & Computing;2010年04期
5 于之训,陈辉堂,王月娟;基于Markov延迟特性的闭环网络控制系统研究[J];控制理论与应用;2002年02期
6 朱其新,胡寿松,刘亚;无限时间长时延网络控制系统的随机最优控制[J];控制理论与应用;2004年03期
7 张奇智;张卫东;;网络控制系统中的时戳预测函数控制[J];控制理论与应用;2006年01期
8 王武;林琼斌;蔡逢煌;杨富文;;随机时延网络控制系统的H_∞输出反馈控制器设计[J];控制理论与应用;2008年05期
9 李洪波;孙增圻;孙富春;;网络控制系统的发展现状及展望[J];控制理论与应用;2010年02期
10 俞立;吴玉书;宋洪波;;具有随机长时延的网络控制系统保性能控制[J];控制理论与应用;2010年08期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 孙连坤;网络化控制系统调度与控制协同设计[D];天津大学;2009年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 付贤政;胡良兵;;网络化控制系统的研究综述[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2006年03期
2 王道华;;风险和效益综合模型的最优投资组合[J];安徽广播电视大学学报;2006年03期
3 崔博文,陈剑,陈心昭,任章;复参数最小二乘估计方法[J];安徽大学学报(自然科学版);2005年03期
4 岑燕斌;韦煜;罗会亮;;快速判断一类实对称矩阵正定的极大极小元方法[J];北京交通大学学报;2011年06期
5 何希盈;程锦房;邓大新;张磊;;单矢量水听器的MVDR波束形成性能研究[J];兵工自动化;2009年11期
6 樊卫华;蔡骅;吴晓蓓;胡维礼;;一类时延网络控制系统的H_∞鲁棒控制[J];兵工学报;2006年01期
7 樊卫华;谢蓉华;陈庆伟;胡维礼;;长时延网络控制系统的建模与分析[J];兵工学报;2006年02期
8 王艳;陈庆伟;樊卫华;胡维礼;;网络控制系统控制与调度协同设计的研究进展[J];兵工学报;2007年01期
9 谢成祥;胡维礼;;多包传输网络控制系统的保性能控制[J];兵工学报;2009年11期
10 孙连坤;万振凯;张桂玲;;不确定网络控制系统保成本观测器设计[J];兵工学报;2011年06期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 纪志成;卢星海;谢林柏;;时延网络控制系统的协同设计方法研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 马长林;姜红;;网络化控制系统的转换控制[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 梁涛;孙鹤旭;林涛;雷兆明;;存在数据丢包的NCS状态预估控制设计与稳定性分析[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 何潇;王子栋;周东华;;基于线性矩阵不等式方法的鲁棒滤波综述[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 张益军;;网络化神经网络系统的同步控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
6 陆会明;李硕;;电站网络化汽温过程模糊PID控制[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
7 ;H_∞ State Feedback Control for Wireless Networked Control Systems based on IEEE802.11b[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
8 ;On Networked Control Systems Based on Smith Compensator[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年
9 张苏;贾新春;池小波;;基于网络的鲁棒滤波:平均驻留时间方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
10 谢林柏;赵维一;纪志成;;基于δ算子的网络控制系统最优控制方法[A];第十七届全国过路控制会议论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张明;电能质量扰动相关问题研究[D];华中科技大学;2010年
2 陈国志;电力谐波和间谐波参数估计算法研究[D];浙江大学;2010年
3 沈波;基于不完全测量信息的非线性随机系统的滤波与控制[D];东华大学;2011年
4 卜旭辉;数据驱动无模型自适应控制与学习控制的鲁棒性问题研究[D];北京交通大学;2011年
5 张捷;网络控制系统的故障检测与诊断技术[D];南京理工大学;2010年
6 刘新金;Hadamard关联协调控制研究[D];南京理工大学;2010年
7 赵虹;基于自由权矩阵的网络控制系统分析与设计[D];中南大学;2011年
8 邱丽;基于Markov跳变理论的网络控制系统研究[D];华南理工大学;2011年
9 高守婉;具有随机时滞与丢包的网络控制系统分析与设计研究[D];中国海洋大学;2011年
10 李春华;基于网络GPS和精华大地水准面的区域实时三维定位理论与应用[D];西南交通大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 苏永敏;线性流形上几类矩阵方程的最小二乘解及最佳逼近解[D];河南理工大学;2010年
2 刘世超;带有非确定丢包与时延的网络化控制系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 金鑫;具有数据包丢失的网络控制系统的最优控制[D];中国海洋大学;2010年
4 张永华;基于DOA检测的自适应波束形成算法研究[D];天津理工大学;2010年
5 张国强;TD-SCDMA系统中联合检测算法的研究[D];天津理工大学;2010年
6 吴凡;基于预测控制的网络控制系统研究[D];天津理工大学;2010年
7 杜宝祯;嵌入式无线网络化测控系统的设计与实现[D];江西理工大学;2010年
8 胡亮;空间可展遮光罩的结构设计、分析与仿真[D];浙江大学;2011年
9 陈旭;无线网络环境下的机器人动态跟踪随机LQG算法[D];北京交通大学;2011年
10 张勇;燃气管网的稳态分析与模拟[D];昆明理工大学;2009年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 赵力,刘怡龙,邹采荣,高西奇,吴镇扬;基于VQ-HMM的无教师说话人自适应方法[J];东南大学学报(自然科学版);2001年02期
2 刘芳,刘文学,焦李成;基于复小波邻域隐马尔科夫模型的图像去噪[J];电子学报;2005年07期
3 张娅岚;;空天地网络通信协议发展研究[J];福建电脑;2009年02期
4 卜艳萍;周伟;俞金寿;;基于改进粒子群优化算法的虚拟企业伙伴选择[J];系统工程;2008年12期
5 孙永梅;段晓霞;;时间延迟估计方法的研究进展[J];化工自动化及仪表;2010年10期
6 陈俊杰,黄惟一;遥操作机器人系统克服时延影响的关键技术[J];华中科技大学学报(自然科学版);2004年S1期
7 许晓东,吴松,路小刚;简单多数票法和Borda法的防策略性分析[J];华中科技大学学报(自然科学版);2005年11期
8 陈俊杰;;空间机器人遥操作克服时延影响的研究进展[J];测控技术;2007年02期
9 周生龙;宋爱国;;时延遥操作系统的能量观测与控制研究进展[J];测控技术;2010年10期
10 王瑞奇;顾文锦;夏长俊;张文广;;面向在轨服务的机器人遥操作双边控制[J];机电工程;2011年05期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李嵩松;基于隐马尔可夫模型和计算智能的股票价格时间序列预测[D];哈尔滨工业大学;2011年
2 肖文斌;基于耦合隐马尔可夫模型的滚动轴承故障诊断与性能退化评估研究[D];上海交通大学;2011年
3 孙启湲;基于互联网的移动机器人网络控制系统研究[D];天津大学;2004年
4 郑桦;机械臂系统的网络远程控制研究与实现[D];中国科学技术大学;2007年
5 邓启文;空间机器人遥操作双边控制技术研究[D];国防科学技术大学;2006年
6 凌震华;基于统计声学建模的语音合成技术研究[D];中国科学技术大学;2008年
7 查世红;空间机器人六自由度浮游目标捕获功能地面验证系统研究[D];中国科学技术大学;2008年
8 王柱锋;网络控制系统的预测控制研究[D];浙江大学;2008年
9 谢成祥;网络控制系统的分析与控制研究[D];南京理工大学;2009年
10 岳夏;基于HMM的复杂条件故障诊断技术研究[D];华南理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 尹继超;机器人遥操作中关键技术的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 徐向峰;7DOF空间机器人遥操作控制算法研究[D];河南工业大学;2010年
3 李增劲;基于隐马尔科夫模型的人脸识别[D];南京理工大学;2011年
4 刘冬雨;面向卫星在轨维护的机器人臂/手遥操作的研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 易星;半监督学习若干问题的研究[D];清华大学;2004年
6 桂放;基于网络的远程控制技术研究[D];武汉理工大学;2005年
7 陈晴;基于条件随机场的自动分词技术的研究[D];东北大学;2005年
8 贺培刚;汉语TTS中的韵律建模与合成方法研究[D];山东大学;2008年
9 张华;网络控制系统中的时延研究[D];吉林大学;2009年
10 颜军;基于条件随机场的中文分词研究与应用[D];武汉理工大学;2009年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 邱占芝,张庆灵,杨春雨;基于广义系统的网络控制系统的分析与建模[J];东北大学学报;2005年05期
2 朱其新,胡寿松,侯霞;长时滞网络控制系统的随机稳定性研究[J];东南大学学报(自然科学版);2003年03期
3 王艳;蔡骅;陈庆伟;胡维礼;;网络控制系统反馈调度器的设计[J];电子学报;2007年02期
4 刘淑芬,孙昕;CAN总线在卫星中的应用技术研究[J];航天控制;2004年06期
5 ;Output Feedback Control of Networked Systems[J];International Journal of Automation and Computing;2004年01期
6 ;Linearizing Control of Induction Motor Based on Networked Control Systems[J];International Journal of Automation & Computing;2009年02期
7 何坚强,张焕春,经亚枝;网络控制系统中采样周期的优化选取方法[J];吉林大学学报(工学版);2004年03期
8 ;Special Issue on New Trends in Theory and Applications of Complex Control Systems[J];Journal of Control Theory and Applications;2008年01期
9 潘红华,苏宏业,褚健;具有时滞和干扰的多变量系统预测函数控制方法的研究(英文)[J];控制理论与应用;2000年06期
10 张泉灵,王树青;化学反应器温度跟踪预测函数控制的研究及应用[J];控制理论与应用;2001年04期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 范兴刚;网络控制系统若干通信网络实时特性研究[D];浙江大学;2004年
2 王艳;网络控制系统的控制与调度研究[D];南京理工大学;2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 项林英;郭戈;赵家黎;;网络控制系统的控制方法研究[J];兰州理工大学学报;2005年06期
2 陈雨;张颖伟;;基于观测器的网络控制系统的故障检测[J];控制工程;2007年S2期
3 李肖;何芳;;模糊控制对网络控制系统性能的改善[J];济南大学学报(自然科学版);2010年04期
4 张顺颐,何军,舒斐,张载龙;基于遗传算法利用网络时延解决路由问题的新算法[J];通信学报;1999年12期
5 樊建伟;杨笃伟;沈祝山;杨东升;;基于UDP传输协议的网络时延仿真研究[J];计算机仿真;2007年08期
6 张顺颐,孙立宏,舒斐,郑彦;基于遗传算法的大规模企业网拓扑设计算法[J];南京邮电学院学报(自然科学版);2000年03期
7 李德河;;计算机网络授时中时延问题的讨论[J];电子测量与仪器学报;2005年04期
8 马向华;谢剑英;;CAN网络控制系统网络时延分析及其控制[J];化工自动化及仪表;2006年01期
9 徐丰芹;徐湘元;;网络控制系统综述[J];自动化技术与应用;2007年03期
10 魏玲;薛定宇;鄂大志;;时延网络控制系统控制方法研究综述[J];电子测试;2008年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 周瑜;李明;李鑫;;基于无线传感网络的控制系统[A];第十七届全国煤矿自动化学术年会、中国煤炭学会自动化专业委员会学术会议论文集[C];2007年
2 孔万增;朱善安;杨灿;;GPC算法和队列-选择机制在网络控制系统中的应用[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(下)[C];2005年
3 何芳;佟为明;王强;;网络控制系统的Smith与Fuzzy联合控制[A];2009全国虚拟仪器大会论文集(一)[C];2009年
4 马向华;谢剑英;魏震;;实时网络控制系统时延分析[A];2004中国控制与决策学术年会论文集[C];2004年
5 李小霞;符秀辉;;基于Internet网络控制的一种时延预测算法[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(2)[C];2008年
6 蔺玉亭;赵润;潘红芳;李晓燕;;两种网络时间同步协议的分析[A];2009全国时间频率学术会议论文集[C];2009年
7 张伟勇;黄德先;潘立登;;补偿网络传输时延的改进DMC算法[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(下)[C];2005年
8 胡博;顾进广;;IP网络性能评估考核系统的研究与设计[A];2008'中国信息技术与应用学术论坛论文集(二)[C];2008年
9 董德国;刘士荣;;IP网络环境下基于状态观测器的机器人反馈控制[A];PCC2009—第20届中国过程控制会议论文集[C];2009年
10 郝晓弘;吴丽珍;;基于Ethernet的网络控制系统LQG最优控制器的设计[A];冶金自动化信息网年会论文集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 樊清 朗讯科技中国有限公司;朗讯BSR引领网络架构扁平化[N];人民邮电;2006年
2 杨庆广;EDGE演进 GSM续战3G时代[N];中国电子报;2007年
3 杨庆广;EDGE演进将成3G重要补充[N];中国电子报;2007年
4 朗讯科技(中国)有限公司网络解决方案部无线产品市场技术市场经理 樊清;朗讯BSR引领网络架构扁平化[N];通信产业报;2006年
5 李春喜;逐鹿宽带视讯[N];中国计算机报;2003年
6 冯晓芳林丽鹂;中美跨洋直达光缆开建,更安全更便宜[N];新华每日电讯;2007年
7 李家辉;吉安电信宽带免费提速[N];人民邮电;2008年
8 赵灵芝;兰州电信提高宽带质量[N];人民邮电;2005年
9 中国联通副总裁 刘韵洁;中国联通对下一代网络技术的探索与实践[N];通信产业报;2003年
10 ;NGN 对承载网QoS的要求[N];人民邮电;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 葛愿;基于隐马尔可夫模型的网络化控制系统建模与控制[D];中国科学技术大学;2011年
2 李春茂;网络化控制系统自适应预测控制方法研究[D];西南交通大学;2007年
3 谢夏;网格信息服务的性能及其模拟评估[D];华中科技大学;2006年
4 李玉清;带有异步特性的网络化控制系统的研究[D];华中科技大学;2009年
5 孔德明;网络化控制系统的稳定性设计[D];华中科技大学;2008年
6 王俊松;复杂网络化系统的分析与综合[D];天津大学;2008年
7 李雯;飞行器网络控制系统研究[D];国防科学技术大学;2007年
8 郭亚锋;网络控制系统的镇定与滤波[D];上海交通大学;2009年
9 黄海;网络控制系统实验平台建设与算法设计[D];浙江大学;2007年
10 杜锋;基于新型Smith预估器的网络控制系统研究[D];西南交通大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 周家骐;基于因特网的无刷直流电动机伺服控制系统的研究[D];武汉理工大学;2008年
2 雍广杰;时延非线性网络控制系统的鲁棒控制研究[D];汕头大学;2008年
3 严源;网络化控制系统基于模型的故障诊断[D];华中科技大学;2008年
4 林回祥;网络控制系统的调度算法研究及仿真[D];南京理工大学;2004年
5 陈惠英;网络控制系统的时延补偿与调度方法的研究[D];浙江工业大学;2005年
6 董莹;基于Web的远程控制系统及其时延问题的研究[D];南京理工大学;2005年
7 孙正阳;基于时延补偿算法的网络控制系统研究[D];大连交通大学;2010年
8 孙建华;基于网络面向柔顺运动的机器人遥操作系统研究[D];电子科技大学;2004年
9 刘健;网络控制系统的时延补偿与控制器设计[D];华北电力大学(河北);2008年
10 高媛;网络控制系统的分析建模与仿真研究[D];华北电力大学(河北);2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026