網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)延分析、建模與控制.pdf

1、隨著控制系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control System, NCS)被逐步應(yīng)用到控制工程中，因其具有系統(tǒng)連線少、易于擴(kuò)展以及能夠?qū)崿F(xiàn)信息資源共享等優(yōu)點(diǎn)，受到了控制界的廣泛關(guān)注。但通信網(wǎng)絡(luò)的引入，使得控制系統(tǒng)中出現(xiàn)了如網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、時(shí)序錯(cuò)亂、數(shù)據(jù)包的多包傳輸及丟失等許多新的問題。因此，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析、建模與控制成了目前控制理論與控制工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題。
　　 本文通過

2、對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中時(shí)延特性的分析，建立了不同時(shí)延條件下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，以及丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，并研究了與網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相適應(yīng)的分析和設(shè)計(jì)方法，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究與發(fā)展提供了有意參考。具體研究成果如下：
　　 (1)在研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生背景、概念及優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，著重分析了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在的幾個(gè)主要問題及其近年來的研究進(jìn)展，并從中總結(jié)出了有研究意義和應(yīng)用價(jià)值的研究方向，為以后的工作奠定了基礎(chǔ)。
　　 (2)研究了

3、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的組成、成因以及不同類型的時(shí)延對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制性能的影響；具體分析了三種典型控制網(wǎng)絡(luò)ControlNet、DeviceNet、Ethernet的特點(diǎn)和性能，討論了不同控制網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的影響，在此基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的適用場(chǎng)合和選擇標(biāo)準(zhǔn)；重點(diǎn)研究了兩種節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式的工作原理，以及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式的四種不同組合，分析了驅(qū)動(dòng)方式導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的機(jī)理，并提出了驅(qū)動(dòng)方式的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

4、　　 (3)研究了時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模問題，首先給出了單輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連續(xù)數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，建立了帶有系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲的多傳感器多執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)連續(xù)數(shù)學(xué)模型；建立了短時(shí)延單包傳輸和多包傳輸且無數(shù)據(jù)包丟失情況下的離散數(shù)學(xué)模型；拓展了原有時(shí)延小于一個(gè)采樣周期的假設(shè)條件，建立了大于一個(gè)采樣周期的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在四種不同節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)方式下的開環(huán)離散數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)一的離散數(shù)學(xué)模型；建立了帶有系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲的任意有界時(shí)延的多傳感器

5、多執(zhí)行器閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型。
　　 (4)研究了具有數(shù)據(jù)包丟失的時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與穩(wěn)定性問題。利用異步動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論，將控制網(wǎng)絡(luò)等效為切換開關(guān)，從簡(jiǎn)單的單邊短時(shí)延單包傳輸?shù)膩G包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模入手，提出了雙邊網(wǎng)絡(luò)與單邊網(wǎng)絡(luò)等效的理論；隨后將這一理論，運(yùn)用到了單包長(zhǎng)時(shí)延和多包短時(shí)延丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模中；利用Lyapunov穩(wěn)定性理論分別對(duì)單包短時(shí)延、單包長(zhǎng)時(shí)延、多包短時(shí)延等丟包網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，推導(dǎo)

6、出了系統(tǒng)指數(shù)漸近穩(wěn)定的條件，并應(yīng)用仿真算例驗(yàn)證了建模方法的有效性和可行性。
　　 (5)研究了網(wǎng)絡(luò)時(shí)延時(shí)變且變化范圍已知情況下，一類離散時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的魯棒H∞控制問題。通過選取適當(dāng)?shù)腖yapunov函數(shù)，在狀態(tài)反饋控制和輸出反饋控制兩種情況下，分別得到了保證閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定的條件，進(jìn)而利用線性矩陣不等式(LMI)，提出了滿足控制性能指標(biāo)的最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)方法。
　　 (6)研究了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)及工作

7、原理，具體分析了其學(xué)習(xí)方法和控制過程，在離線狀態(tài)下訓(xùn)練得到了一個(gè)滿足系統(tǒng)控制要求的FNN控制器。以二階直流電機(jī)為被控對(duì)象構(gòu)建了仿真網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，分別在無固定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及無外部擾動(dòng)、存在固定網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及外部擾動(dòng)、丟包網(wǎng)絡(luò)、不同控制網(wǎng)絡(luò)條件下進(jìn)行了仿真研究。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)NN控制器不僅在相同網(wǎng)絡(luò)條件下的控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的PD控制，對(duì)外界的擾動(dòng)有明顯的抑制作用，而且網(wǎng)絡(luò)條件的變化也表現(xiàn)出了很好的適應(yīng)能力，具有極強(qiáng)的魯棒性，完全適合于網(wǎng)絡(luò)

8、控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。
　　 (7)研究了具有典型強(qiáng)非線特性的彈簧連接雙倒立擺耦合模型為被控對(duì)象的非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制問題。首先，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，接著利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解的方法，將模型轉(zhuǎn)化為多個(gè)關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，從而將非線性模型變換為線性模型，進(jìn)而利用線性二次型最優(yōu)控制理論設(shè)計(jì)出了魯棒控制器；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)信號(hào)時(shí)序的一般特性，開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)通用網(wǎng)絡(luò)通信模塊；通過分別連接通用網(wǎng)絡(luò)通信模塊和TrueTime網(wǎng)絡(luò)通信模塊建立