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无线异构网络脉冲控制系统研究及应用

李同涛  
【摘要】:目前网络控制系统(Networked control systems,NCSs)中采用的控制策略多是不间断的控制策略,即整个控制过程中不断地利用网络进行信号的通信,对网络的依赖比较大,易受网络性能的影响,也不利于减少网络通信量和网络拥塞。同时,无线技术的发展,使得网络控制系统中的通信网络由传统的有线网络逐步过渡到无线异构网络的时代。所以,研究基于无线异构网络的、对网络依赖较小的控制策略具有重要的理论意义和应用价值。 本文选取无线异构网络作为网络控制系统的通信网络,选取对网络通信依赖较小的具有间断控制(即只在某些时间点进行控制)特点的脉冲控制作为控制策略,对网络控制系统展开研究。论文主要的贡献概括如下: 1、将具有间隔控制特点的脉冲控制策略引入到网络控制系统中,提出了基于脉冲控制的网络控制系统模型,理论分析了带有固定网络时延的网络控制系统的指数稳定性。首先,论述了脉冲控制理论的基本思想,即在某些时间点,通过改变状态变量的值来实现系统的稳定;然后,结合脉冲控制策略和网络控制系统的结构特点,提出利用时钟开关实现脉冲信号的输入,构造出网络脉冲控制系统数学模型;最后,利用Lyapunov函数方法,给出了带有定时滞网络脉冲控制系统的稳定性条件,在此条件中,不要求所选取的Lyapunov函数导数处处小于零,具有更好的实用性。 2、给出了多通道、带有随机网络时延的网络控制系统的指数稳定性定理,该定理不要求网络延时小于脉冲间隔,降低了定理的保守性。首先,针对带有随机网络时延多通道网络控制系统,给出了网络时延小于和大于脉冲间隔两种情况下网络脉冲控制系统的数学模型,利用Razumikhin技巧和Lyapunov函数方法,给出了系统的指数稳定性条件,以及通过调整控制器参数改变收敛速率的方法。仿真结果表明了所提定理的正确性和有效性;同时,讨论了脉冲控制策略的缺陷,即要求各状态变量均能发生突变,指出其在应用中的不足。 3、研究了基于IEEE802.15.4a协议的工业无线网络的时延性能,给出了其时延特性以及时延的初步数学模型,避免了网络控制系统中对网络时延多是采用假设的不足,使理论研究更加贴合实际。在实验室构建的基于IEEE802.15.4a标准的无线网络上,通过改变网络节点数、上层通信协议、物理距离、增减节点等一系列实验,重点对无线网络的时延性能进行了测量和分析,建立了网络时延与网络节点、协议等参量之间的数学模型,并指出了影响网络时延的主要因素和改进办法,为分析工业有线/无线异构网络的实时性能提供了实验基础。 4、在研究无线网络的时延性能的基础上,构建了有线/无线异构网络,并对其时延性能进行了测试分析,给出了无线异构网络时延特性,并分析其与无线网络时延特性的异同与关联。首先对异构网络中协议转换技术及自制协议转换装置进行了论述,据此提出了异构网络的架构组成,分析了异构网络的时延性能;然后依据分析的结果,提出以无线子网节点间的数据传输延时作为衡量异构网络实时性能的指标,并对其展开测试,通过对无线、无线异构网络两个测试结果的分析,指出了无线异构网络时延的特点,即增加了网络协议转换时间与主干网的周期匹配时间,同时测试结果也表明了时延性能理论分析的正确性。 5、根据对无线、有线/无线异构网络的性能分析及测量,提出了一种基于主客观组合评价的网络性能综合评价方法,并开发了相应的评价软件,解决了目前网络性能指标多样化以及网络评价缺乏统一方法的问题。首先,提出基于主客观组合评价的网络性能评价方法,并对实验室构建的异构网络和仿真网络进行综合评价,性能评价结果表明了所提方法的有效性和合理性。通过对评价方法的模块化编程,开发了网络评价软件,为实际的网络性能检测和评价提供了参考依据。 6、开展无线异构网络控制系统的实验研究,构建了基于无线异构网络的发电系统测控平台,验证了其在工业应用中的可行性,并依据异构网络的时延特性,开展脉冲控制策略的半实物仿真研究,为脉冲控制策略在实际网络控制系统中的应用提供实验依据和技术铺垫。首先,将实验室构建的无线异构网络应用到郎肯发电平台中,实验研究表明无线异构网络能够较好的实现测控功能;同时,以无线异构网络的时延测试结果为基础,展开网络脉冲控制系统的半实物仿真研究,仿真结果表明了脉冲控制策略在实际网络控制系统中的可行性。


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