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网络控制系统的时延分析、建模与控制

鄂大志  
【摘要】: 随着控制系统规模的日益扩大以及网络通信技术的飞速发展,网络控制系统(Networked Control System, NCS)被逐步应用到控制工程中,因其具有系统连线少、易于扩展以及能够实现信息资源共享等优点,受到了控制界的广泛关注。但通信网络的引入,使得控制系统中出现了如网络时延、时序错乱、数据包的多包传输及丢失等许多新的问题。因此,网络控制系统的分析、建模与控制成了目前控制理论与控制工程领域的热点研究课题。 本文通过对网络控制系统中时延特性的分析,建立了不同时延条件下的网络控制系统模型,以及丢包网络控制系统模型,并研究了与网络控制系统相适应的分析和设计方法,为网络控制系统的研究与发展提供了有意参考。具体研究成果如下: (1)在研究了网络控制系统的产生背景、概念及优点的基础上,着重分析了网络控制系统中存在的几个主要问题及其近年来的研究进展,并从中总结出了有研究意义和应用价值的研究方向,为以后的工作奠定了基础。 (2)研究了网络控制系统中网络时延的组成、成因以及不同类型的时延对系统稳定性和控制性能的影响;具体分析了三种典型控制网络ControlNet、DeviceNet、Ethernet的特点和性能,讨论了不同控制网络产生的网络时延对网络控制系统性能的影响,在此基础上,提出了网络协议的适用场合和选择标准;重点研究了两种节点驱动方式的工作原理,以及网络控制系统节点驱动方式的四种不同组合,分析了驱动方式导致的网络时延的机理,并提出了驱动方式的选择标准。 (3)研究了时延网络控制系统的建模问题,首先给出了单输入单输出网络控制系统连续数学模型,在此基础上,建立了带有系统噪声和观测噪声的多传感器多执行器网络控制系统连续数学模型;建立了短时延单包传输和多包传输且无数据包丢失情况下的离散数学模型;拓展了原有时延小于一个采样周期的假设条件,建立了大于一个采样周期的网络控制系统在四种不同节点驱动方式下的开环离散数学模型和统一的离散数学模型;建立了带有系统噪声和观测噪声的任意有界时延的多传感器多执行器闭环网络控制系统的离散数学模型。 (4)研究了具有数据包丢失的时延网络控制系统的建模与稳定性问题。利用异步动态系统理论,将控制网络等效为切换开关,从简单的单边短时延单包传输的丢包网络控制系统建模入手,提出了双边网络与单边网络等效的理论;随后将这一理论,运用到了单包长时延和多包短时延丢包网络控制系统的建模中;利用Lyapunov稳定性理论分别对单包短时延、单包长时延、多包短时延等丢包网络控制系统进行了稳定性分析,推导出了系统指数渐近稳定的条件,并应用仿真算例验证了建模方法的有效性和可行性。 (5)研究了网络时延时变且变化范围已知情况下,一类离散时延网络控制系统的鲁棒H∞控制问题。通过选取适当的Lyapunov函数,在状态反馈控制和输出反馈控制两种情况下,分别得到了保证闭环系统鲁棒稳定的条件,进而利用线性矩阵不等式(LMI),提出了满足控制性能指标的最优控制器设计方法。 (6)研究了模糊神经网络(FNN)的特点,结构及工作原理,具体分析了其学习方法和控制过程,在离线状态下训练得到了一个满足系统控制要求的FNN控制器。以二阶直流电机为被控对象构建了仿真网络控制系统,分别在无固定网络时延及无外部扰动、存在固定网络时延及外部扰动、丢包网络、不同控制网络条件下进行了仿真研究。通过对比实验表明,FNN控制器不仅在相同网络条件下的控制效果明显优于传统的PD控制,对外界的扰动有明显的抑制作用,而且网络条件的变化也表现出了很好的适应能力,具有极强的鲁棒性,完全适合于网络控制系统的实际应用。 (7)研究了具有典型强非线特性的弹簧连接双倒立摆耦合模型为被控对象的非线性网络控制系统的设计和控制问题。首先,对被控对象进行数学建模,接着利用系统结构分解的方法,将模型转化为多个关联的子系统,从而将非线性模型变换为线性模型,进而利用线性二次型最优控制理论设计出了鲁棒控制器;根据网络控制系统信号时序的一般特性,开发设计了一个通用网络通信模块;通过分别连接通用网络通信模块和TrueTime网络通信模块建立了网络控制系统结构下的非线性系统仿真平台,并测试了鲁棒控制器的控制效果。这种将对象模型的不确定性和网络条件的不确定性统一在控制器环节进行综合处理的方法,不但可以简化了系统建模的复杂性,而且更加有利于分析研究网络环境对非线性系统的影响。


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