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网络控制系统性能的仿真分析及采样周期的优化

司美玲  
【摘要】:控制、计算机和网络通信是目前世界上三大热门的研究与应用领域,而三者的结合更是具有挑战性的研究课题。网络控制系统(Networked Control System,简称NCS)是这三种技术结合的成果,NCS给控制系统带来了崭新的一面,并且被迅速的应用到工业生产中。 网络控制系统的研究主要分为控制和网络两部分,控制衡量的是系统的网络控制质量,例如动态和稳态特性;网络衡量的是系统的网络服务质量,诸如调度,网络利用率,网络诱导延时等。通常研究NCS的方法是依据经典的控制理论,协同考虑网络对控制性能的影响。本文也是遵循这一原则进行研究分析网络控制系统的。文中主要利用MATLAB中相关的工具箱,研究网络控制系统的性能,控制器的设计以及采样周期的优化问题,实现NCS中控制与网络的协同设计,以实现NCS系统优化,并仿真验证了可行性。 本文首先介绍了网络控制系统中的常见的研究问题,例如,控制器的设计、调度,控制与网络的协同设计,采样周期优化,时延,数据包错乱,丢失等,它们是影响网络控制系统性能的因素,了解和解决这些问题是保证网络控制系统性能的关键。 然后,针对上面提到的网络控制系统中常见的研究问题,重点对控制器的设计进行了研究。根据经典的控制理论,闭环极点和控制系统的控制质量存在关系,作者给出了基于根轨迹的极点配置设计控制器的方法,并且通过MATLAB相关工具箱进行仿真验证,仿真结果表明控制器完全满足控制对象的要求。 最后,针对网络控制系统中的调度问题,以及控制与网络的协同设计、采样周期优化问题,给出了解决方案,完成网络控制系统的采样周期的优化,实现NCS整体性能的最优。 文章的创新之处在于,分别从控制和调度的角度分析了采样周期的约束,重点研究了采样周期的优化,提出一种新的优化采样周期的方法,利用MATLAB\OPTIMTOOL优化工具箱,优化采样周期,实现了控制和网络的协同设计。并利用MATLAB\TRUETIME网络仿真工具箱,设计仿真模型,仿真结果验证了经过优化采样周期,网络控制系统结构得到优化,网络的带宽实现利用率的最大化,性能在一定的约束下实现最优化。仿真结果表明,网络资源得到了合理的分配,并且控制性能满足要求。


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