变采样周期网络化系统的协同设计及其仿真研究

摘要

日趋复杂的工业控制系统，要求控制系统实现网络化。因此，网络控制系统(Network Control System)是控制领域发展的必然趋势。网络控制系统是一种网络化，全分布式的实时反馈控制系统。其具有布线少、控制范围广、易扩展维护等优点，但由于网络中各节点共享通信信道，造成网络诱导时延以及数据包冲突等网络问题，特别是在网络负载大且网络复杂的情况下，这一系列网络问题尤为突出。
　　网络控制系统的控制性能受到控制系统品质(Quality of Performance,QoP)和通讯网络的服务质量（Quality of Service,QoS）的双重约束。采样周期是联系控制性能与网络利用率的重要纽带。以往对现场设备采用固定采样的控制方式不仅浪费了网络资源，同时也无法满足多控制回路中不同类型的被控对象控制参数变化速率不同的实际情况。本文正是基于采样周期的纽带关系，对网络化系统采用变采样周期调度策略，动态调整各个子系统的采样周期，从而实现网络控制系统控制与调度的协同设计。主要是以网络控制系统控制与调度协同设计为研究的切入点，对网络控制系统的变采样调度进行了分析，建立了变采样网络控制系统模型，本文主要研究内容如下:
　　首先对网络控制系统进行分析，同时对能综合反映网络控制系统控制特性和网络传输特性的仿真平台TrueTime工具箱的功能模块以及系统实现流程进行了研究学习，并且基于该平台，以直流电机为被控对象，搭建了网络控制系统，分析了网络诱导时延和数据包丢失对网络控制系统控制性能的影响，同时分析了RM和EDF两种经典的调度算法。接着针对网络中存在的数据包丢失和时延等问题进行了主要分析，提出了一种丢包补偿策略;进而基于网络诱导时延的不确定性，设计了变采样调度器，在线实时监测网络资源，根据各控制回路对网络资源的需求度，动态地调整各控制回路的采样周期，实现资源的动态分配;最后利用变采样仿真工具箱TrueTime的基本功能与结构并结合MATLAB/Simulink工具箱构建了变采样网络控制系统仿真模型，立足于网络带宽，网络丢包以及调度算法，对变采样网络控制系统进行仿真分析。结果表明，变采样周期使得网络控制系统性能获得有效的改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 网络控制系统研究现状和发展趋势

1．3 网络控制系统典型结构

1．4 网络控制系统节点驱动方式

1．5 本文研究背景

1．5．1 变采样网络系统概述

1．5．2 变采样网络控制系统研究现状与趋势

1．6 网络调度

1．6．1 网络控制系统调度的意义

1．6．2 网络控制系统调度的研究现状

1．7 TrueTime网络控制系统仿真工具箱介绍

1．7．1 TrueTime内核模块

1．7．2 TrueTime Network网络模块

1．7．3 基于TrueTime仿真工具箱的系统实现流程

1．8 本文主要研究内容

第二章 网络控制系统分析

2．1 网络控制系统中的信息分类

2．2 典型网络类型与协议

2．3 网络诱导时延

2．3．1 时延产生的原因

2．3．2 网络时延的组成

2．3．3 网络时延特性分析

2．3．4 时延对系统性能的影响

2．3．5 时延与采样周期和控制器参数的关系

2．4 数据包丢失对网络控制系统的影响

第三章 具有数据包丢失的网络控制系统的最优控制

3．1 具有数据包丢失的网络控制系统建模

3．2 最优控制律的设计

3．3 仿真

第四章 基于变采样周期NOS控制与调度的协同设计

4．1 网络控制系统中信息的调度

4．1．1 Rate Monotonic(RM)调度算法

4．1．2 Earlist Deadline First(EDF)调度算法

4．1．3 RM和EDF的应用比较

4．2 变采样周期调度器

4．3 基于迭代算法的变采样NCS调度策略

4．4 仿真

第五章 变采样网络控制系统建模与仿真

5．1 基于TrueTime的系统建模方案

5．2 变采样调度器设计

5．3 变采样仿真系统模型设计

5．3．1 变采样系统模型设计原理

5．3．2 系统各子模块内部结构分析

5．3．3 系统模型程序结构

5．3．4 变采样仿真系统模型参数设置

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文