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时延网络控制系统的状态预估研究

焦燕妮  
【摘要】:网络控制系统(Networked Control System)是一个复杂的系统,它跨越了控制理论、网络通信和计算机技术等多个研究领域,其设计与实现又受到多方面因素的制约,如实际系统的需求、网络环境因素、经济效益等。因此,网络控制系统的研究是多层次、多样化和多因素的。在NCS中,由于网络负载变化不规则、通信方式以及共享带宽等制约因素,当控制器节点、被控对象的传感器节点、执行器节点通过网络交换数据和控制信息时,往往出现网络拥塞、多路径或多数据包传输、数据包时序错乱与丢失、重传、碰撞、以及连接中断等现象。因此,NCS的节点间进行通信时,网络诱导时延是不可避免的。 衡量通信网络服务质量的一个重要性能指标之一是时延,它表示网络中两个节点之间传输一位数据所需要的时间,网络中节点的个数不同,位置不同时,时延也将随之不同。 本文首先概述了目前网络控制系统存在的问题以及研究现状,分析了时延产生的原因及组成,并通过Matlab仿真研究时延对系统稳定性的影响、时延与采样周期、控制器参数之间的关系。针对网络控制系统中的时延问题,总结了以往在研究时延问题上所取得的成果及所采用的主要方法。 本文研究了时延网络控制系统的建模与性能分析,提出一种基于分段连续控制的建模方法,通过数学变换,以经典的控制系统为模型,使得控制系统的离散方程与延迟间隔建立函数关系,从而找到一种新颖的研究延迟问题的方法。基于该模型,文中借鉴卡尔曼滤波器思想,设计状态观测、预估器,并通过Lyapunov法分析了系统的稳定性。最后通过以直流电机为受控对象的仿真,通过对比不同延迟间隔下的跟踪误差,给出了该方法的适用范围。 文中最后简要介绍了基于Matlab的实时仿真工具Truetime,针对被控对象为直流电机、传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、采用PID控制器的输出反馈控制系统建立模型,并进行了仿真分析,文中分别对比了CSMA/CD、 Profibus时延作用下系统的输出与参考输入。最后,将仿真模型中的控制端代码置换为文中所提出的模型与观测预估器,通过仿真表明该方法对于CSMA/CD网络能有效地降低时延对控制系统性能的影响。


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