網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延補償策略的設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、隨著控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,網(wǎng)絡(luò)因素對系統(tǒng)的影響也越來越明顯。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NCSs)是通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)閉環(huán)的一類系統(tǒng),系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)都要通過網(wǎng)絡(luò)進行傳輸和交換。由于網(wǎng)絡(luò)的承載能力以及通信帶寬等因素的限制,使得數(shù)據(jù)在傳輸過程中不可避免的產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時延。網(wǎng)絡(luò)時延的產(chǎn)生會降低控制系統(tǒng)的運行品質(zhì),在極端情況下,甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此在控制回路設(shè)計過程中必須考慮網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)性能影響的問題。目前針對網(wǎng)絡(luò)時延的研究大部分是從控制理論或通信理

2、論的角度進行分析,而NCSs作為控制技術(shù)和通信技術(shù)交叉、融合產(chǎn)生的新技術(shù),從二者結(jié)合的角度出發(fā)解決網(wǎng)絡(luò)時延問題更為合適。
　　 本文從控制和通信技術(shù)結(jié)合的角度出發(fā)研究NCSs中存在的網(wǎng)絡(luò)時延問題。主要目的是如何設(shè)計控制算法以補償網(wǎng)絡(luò)時延對系統(tǒng)性能的影響。因此根據(jù)補償算法的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)性能要求,提出了五種網(wǎng)絡(luò)時延補償方法:τsc補償方法、τca補償方法、固定時延補償方法、基于狀態(tài)觀測器的時延補償方法以及基于在線τca的時延補償

3、方法。這五種時延補償方法的基本思想是通過控制通信網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)任務(wù)的等待時間以影響網(wǎng)絡(luò)時延的大小和取值規(guī)律,從而減少控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)的依賴,提高網(wǎng)絡(luò)的有效利用率。同時還進一步研究了網(wǎng)絡(luò)時延對NCSs中采樣周期選擇的影響的問題。同時,本文提出的理論和方法均在自行設(shè)計的CAN bus網(wǎng)絡(luò)控制實驗平臺上加以驗證。
　　 具體而言,本文創(chuàng)新性的研究工作概括為以下五個方面:
　　 ●設(shè)計并搭建了基于CAN bus的軟硬件結(jié)合的實驗系統(tǒng),

4、以驗證本文對網(wǎng)絡(luò)時延的分析及提出的時延補償方法的有效性。通過真實的NCSs網(wǎng)絡(luò)實驗系統(tǒng)驗證的研究結(jié)果與NCSs作為與實際應(yīng)用緊密結(jié)合的研究方向的特點是一致的,使得本文在應(yīng)用層面上的意義得到了很大程度的提升。
　　 ●針對一般性的NCSs,分析了網(wǎng)絡(luò)時延產(chǎn)生的因為以及影響網(wǎng)絡(luò)時延取值規(guī)律的因素,并且從理論上分析了網(wǎng)絡(luò)時延的取值規(guī)律。然后通過CAN bus網(wǎng)絡(luò)控制實驗平臺,分析了不同網(wǎng)絡(luò)負荷下CAN bus網(wǎng)絡(luò)時延的產(chǎn)生情況?？偨Y(jié)的

5、網(wǎng)絡(luò)時延的取值規(guī)律驗證了上述對網(wǎng)絡(luò)時延取值規(guī)律理論上的分析。
　　 ●為了保證控制信號的實時性和準確性,提出了在線預(yù)估控制器與執(zhí)行器之間的網(wǎng)絡(luò)時延τca的方法一時延窗口匹配法。時延窗口匹配法是根據(jù)歷史真實時延()ca預(yù)估將來時刻τca的一種方法。同時,時延窗口匹配法可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)或者匹配的結(jié)果在線更新時延窗口存儲的歷史真實()ca,所以時延窗口匹配法是一種具有智能因素的閉環(huán)預(yù)估方法。
　　 ●在網(wǎng)絡(luò)時延分析的基礎(chǔ)上,

6、根據(jù)補償算法的復(fù)雜程度以及系統(tǒng)性能要求,提出了五種時延補償方法。分別是τsc補償方法、τca補償方法、固定時延補償方法、基于狀態(tài)觀測器的時延補償方法以及基于在線τca的時延補償方法。這五種方法的基本思想是減少控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)任務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡却龝r間,減少網(wǎng)絡(luò)時延的大小并且使得網(wǎng)絡(luò)時延的取值更加固定化。具體做法是通過內(nèi)置傳感器或者控制器模型取代實際的傳感器和控制器節(jié)點的功能。實驗結(jié)果表明,通過五種網(wǎng)絡(luò)時延補償方法,可以有效的解決網(wǎng)絡(luò)時延對