網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中遞推網(wǎng)絡延時預測控制研究.pdf

1、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)是通過網(wǎng)絡實現(xiàn)控制機構(gòu)之間相互通信的全分布式實時反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，呈現(xiàn)出傳感器、控制器和執(zhí)行器空間分離的物理特征。二十一世紀初，在全球富有盛名的19位學科領(lǐng)域?qū)＜壹?3名學者共同撰寫的《息爆炸時代的控制——關(guān)于控制、動力學和系統(tǒng)未來方向的專家小組報告》中，明確指出基于網(wǎng)絡的控制是未來發(fā)展的重要方向。因此，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)成為一個新興的學術(shù)研究方向，受到全世界計算機、自動化、通信等領(lǐng)域的學者們廣泛關(guān)注。同時網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究中，網(wǎng)

2、絡延時對控制系統(tǒng)所帶來的影響也被提出，成為了需要重點考慮的研究關(guān)鍵點。
　　本文著重于從控制系統(tǒng)和控制算法設計的角度，開展基于無線個域網(wǎng)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)分析和綜合研究，提出了一種新的異步通信網(wǎng)絡傳輸延時遞推差分計算方法，設計了一種新型可動態(tài)確定預測步數(shù)的廣義預測控制器，解決由于網(wǎng)絡通信約束，導致網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采樣周期與系統(tǒng)實際物理對象所要求的控制系統(tǒng)采樣周期之間失配，進而導致網(wǎng)絡控制系統(tǒng)性能惡化，系統(tǒng)難以穩(wěn)定運行的問題。
　　首

3、先，從物理層、MAC子層以及基于IEEE802.15.4的無線個域網(wǎng)多跳及路由轉(zhuǎn)發(fā)等方面分析了網(wǎng)絡傳輸延時的客觀存在。從系統(tǒng)應用的角度分析了由于節(jié)點休眠、網(wǎng)絡規(guī)模較大和新節(jié)點入網(wǎng)等因素所造成的網(wǎng)絡等待延時。以計算機控制系統(tǒng)理論為基礎，分析了系統(tǒng)采樣周期受到被控對象確定的約束情況及其取值邊界。從而，明確出系統(tǒng)采樣周期在同時受到通信周期約束與被控對象約束且相互矛盾時，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)可能趨于不穩(wěn)定的動態(tài)特性。
　　其次，約定了本研究所依托

4、的基本網(wǎng)絡環(huán)境為遵循網(wǎng)狀網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡。明確了所研究無線網(wǎng)絡控制回路的基本結(jié)構(gòu)，并對基于有信標幀通信模型的NCS通信事務時序和基于無信標幀通信模型的NCS通信事務時序進行了分析。提出了一種新的無全網(wǎng)時鐘同步網(wǎng)絡傳輸延時遞推計算方法，可通過正常的報文通信直接計算網(wǎng)絡傳輸延時，并根據(jù)系統(tǒng)設計者已知的請求、確認報文幀數(shù)據(jù)字節(jié)長度，解決雙向傳輸延時不一致問題，避免誤差累積。
　　之后，以兼顧網(wǎng)絡延時的最小刻度時間基礎值與符

5、合被控對象性能要求的控制系統(tǒng)采樣周期為準則，動態(tài)確定預測步數(shù)和控制周期。采用將網(wǎng)絡控制系統(tǒng)采樣周期與控制周期分離的思想，以滿足網(wǎng)絡通信延時約束條件的時變采樣周期性作為廣義預測控制器的數(shù)據(jù)輸入采樣周期，以便滿足被控對象性能條件的預測步長作為廣義預測控制器的控制運算輸出周期，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的穩(wěn)定控制，并克服傳統(tǒng)預測控制中人為確定預測步數(shù)的不足。從理論上分析了采用本文所提出變采樣廣義預測控制方法的無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過仿真實驗及結(jié)