通信信道受限的网络控制系统最优控制算法及性能研究

摘要

网络控制系统是一种全分布式、网络化的实时反馈控制系统，具有低成本、易维护性、高可靠性等诸多优势。由于信息通过网络进行传输，其不可避免地会遇到一些特殊的问题。通信信道受限的控制问题是由于网络带宽的有限和噪声信号的干扰限制通信网络的实时传输能力而产生的。此类问题的存在可能会降低控制系统的控制性能，影响系统的稳定性。因此，对网络控制系统中通信信道受限情况下的控制策略问题进行研究具有重要意义。 论文主要针对一类通信信道受限的多输入多输出网络控制系统，研究在有限通信系统资源下系统的建模、通信序列的选取以及控制器设计等问题，并就通信信道受限对系统控制性能的影响进行仿真分析。其具体工作如下： 针对任一时刻只允许部分传感器和控制器访问网络的情况，引入通信序列矩阵描述信道受限问题，分别建立了在“零控制”、“前次控制”情况下的系统模型；在保证系统能控、能观的前提下，给出了周期性可行通信序列的选取原则，并设计出稳定的LQG最优网络控制器。仿真实例验证了方法的可行性及有效性。 基于可行通信序列的选取原则，给出了系统最优通信序列的选取标准。并根据LQG最优控制问题的特点，将控制性能指标定义为不受限与受限情况下的目标代价函数的比值。通过大量的仿真实验研究了不同的通信信道受限程度、不同的受限网络模型以及通信序列的选取对LQG最优控制性能的影响。 进一步提出用预测法来估计信道受限所丢失的实时信息，建立“预测控制”情况下的系统模型，设计出稳定的最优预测网络控制器，并通过仿真数例对算法可行性进行了验证。 最后，针对学习机上搭建的无耦合二阶电路控制系统，将其与Netcon网络控制器相连构建模拟网络控制系统中通信信道受限的实验环境，对设计的控制算法进行实验研究。实验结果进一步证明了设计算法的正确性及可行性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的提出

1.2网络控制系统的研究背景

1.3 网络控制系统的主要问题及研究现状

1.3.1 网络时延

1.3.2数据包丢失

1.3.3通信约束

1.3.4网络调度

1.4论文的结构安排及主要内容

第二章通信信道受限的网络控制系统LQG最优控制研究

2.1 问题描述

2.2通信序列概念

2.3控制策略研究—“零控制”

2.3.1 系统建模

2.3.2系统能控、能观性分析

2.3.3 网络LQG最优控制器设计

2.3.4仿真数例分析

2.4控制策略研究—“前次控制”

2.4.1 系统建模

2.4.2系统能控、能观性分析

2.4.3 网络LQG最优控制器设计

2.4.4仿真数例分析

2.5本章小结

第三章通信信道受限对LQG最优控制性能影响研究

3.1最优通信序列选取

3.2信道受限系统的控制性能评价

3.2.1 控制性能评价研究现状

3.2.2控制性能评估指标

3.3信道受限对控制性能影响的仿真分析

3.3.1 不同受限程度对控制性能影响

3.3.2不同系统模型对控制性能影响

3.4本章小结

第四章通信信道受限的网络控制系统最优预测控制研究

4.1系统建模

4.2网络最优预测控制器设计

4.2.1状态估计

4.2.2状态估计的稳定性

4.2.3最优增益

4.3仿真数例分析

4.4本章小结

第五章基于Netcon控制系统的实验研究

5.1 Neteon系统简介

5.1.1 网络化控制器

5.1.2 NetCon网络化控制组态平台

5.2电路系统建模

5.3 S函数简介及算法实现

5.4实验结果

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果