網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時擴展及協(xié)同控制研究.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種以網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，將空間分離的傳感器、控制器、執(zhí)行器等節(jié)點組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，具有分布化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和帶寬資源共享等特點。由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有效節(jié)省布線、降低綜合成本及提高系統(tǒng)診斷能力，因此，受到各行業(yè)領(lǐng)域用戶的歡迎，具有廣闊的應(yīng)用前景和實用價值。然而，無論網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的理論學術(shù)研究還是應(yīng)用技術(shù)研究，均由于網(wǎng)絡(luò)通信的引入，使其變得比傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計更為復雜和更具有挑戰(zhàn)性，成為廣泛關(guān)注的研究熱點之一。
　　本

2、文分別從底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)控制回路、乃至整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)三個方面，按照自底向上、由點至面的思想，融通信、控制、調(diào)度為一體，開展網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時擴展及協(xié)同控制研究。構(gòu)建了基于串行鏈路的自組織網(wǎng)絡(luò)通信模型，提出了在無MAC地址狀況下的多節(jié)點自動組網(wǎng)方法，實現(xiàn)設(shè)備的即插即用。完成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模及控制器協(xié)同設(shè)計，可動態(tài)適應(yīng)采樣周期的時變性，解決了使用恒定控制參數(shù)而引起的控制次優(yōu)問題。提出了基于帶寬回饋變采樣周期和基于采樣周期優(yōu)先級的二維調(diào)

3、度方法，平衡網(wǎng)絡(luò)控制性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。
　　本文的主要研究內(nèi)容包括:
　　1)為了滿足網(wǎng)絡(luò)節(jié)點動態(tài)變化要求，本文首先從通信角度出發(fā)，構(gòu)建了一種基于串行鏈路的自組織網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通信模型。該模型采用自動掃描的方式，自動獲取通信地址，并進行地址復用檢測，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自動組網(wǎng)。通過實物平臺驗證，新入網(wǎng)設(shè)備節(jié)點均能在沒有唯一設(shè)備標識符的情況下，實現(xiàn)在系統(tǒng)運行的任意時刻完成自動組網(wǎng)和設(shè)備的即插即用。
　　2)從系統(tǒng)建模角

4、度出發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)構(gòu)建為一類不確定的動態(tài)區(qū)間模型;根據(jù)采樣周期，采用連續(xù)離散化的方法，設(shè)計了狀態(tài)反饋的比例控制器，并采用Lyapunov方程和線性矩陣不等式方法證明了該模型的穩(wěn)定性;針對被控對象，采用假頻能量系數(shù)的方法，給出了一階、二階被控對象采樣周期變化范圍的確定方法;最后，通過仿真驗證該模型穩(wěn)定性，并通過實驗網(wǎng)絡(luò)控制性能與采樣周期的結(jié)果，證明了變樣周期調(diào)度算法的有效性。
　　3)從網(wǎng)絡(luò)調(diào)度角度出發(fā)，設(shè)計了一個具有帶寬約束和

5、帶寬回饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器，在最大帶寬約束和回路貢獻系數(shù)作用下，采用變采樣周期調(diào)度方法，使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不僅可以全局優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的QoC(Quality of Control)和QoS(Quality ofService)，而且基于該方法可以將回路多余帶寬逐次回饋到網(wǎng)絡(luò)中，降低網(wǎng)絡(luò)資源過度消耗，保證有足夠的帶寬給新入網(wǎng)節(jié)點;接著，闡述了該網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器存在的合理性;最后通過實驗仿真從多個角度驗證了該算法的穩(wěn)定性和優(yōu)越性。
　　4)綜合考慮變采樣周

6、期調(diào)度算法和CAN(Control Area Network)鏈路通信仲裁特性，提出了基于采樣周期的分布式優(yōu)先級調(diào)度方法，并給出了CAN動態(tài)優(yōu)先級(Dynamic Priority, DP)和數(shù)據(jù)標識符(Data Identifier，DI)分段設(shè)計方法，該方法不僅極大降低了節(jié)點動態(tài)調(diào)度算法計算困難等問題，而且體現(xiàn)了CAN標識符仲裁和數(shù)據(jù)標識的雙重特性。最后，通過實驗仿真驗證了基于采樣周期的優(yōu)先級調(diào)度算法可以調(diào)高網(wǎng)絡(luò)控制性能，也同時體現(xiàn)