控制网络系统性能分析、系统设计和网络互连的研究与应用

摘要

该论文针对控制网络系统性能分析、系统设计和网络互连中部分关键问题进行了研究与探讨.文章包含了控制网络系统以及相关领域中热点技术、应用问题的分析与综合,并且就某些方面提出了作者独创的观点、分析方法和具体解决方案.全文共分为六章,主要研究内容和结论如下:第一章首先给出控制网络和控制网络系统的定义,论述了它们的特点和优点.其次,在对于控制系统网络化发展趋势进行分析的基础上,提出了控制网络系统发展的三个主要阶段及其技术特性.第二章探讨了控制网络系统中网络协议的服务性能(QoS).第三章主要针对控制网络系统中控制性能分析(QoCP)的三个子问题进行了研究:1.采用非线性规划理论,作者独立解决了多回路控制网络系统中如何确定优化采样频率的问题;并且给出其实用工程化的求解方法.2.针对网络传输时延、信息丢失等不同情况,分析和得到控制网络系统的稳定性条件.3.通过设置接收缓冲区使得随机网络传输时延确定化,同时利用混沌优化算法整定控制器参数;该文对控制网络系统完成了二自由度内模优化控制器的设计.第四章探讨了控制网络系统设计方法问题:1.对于控制网络底层节点的设计,该文提出一种多处理器结构功能模块化的软硬件协同设计方法.该方法极大地提高了单个节点的处理能力、扩展性以及可靠性.作者基于该方法开发了一种CPLD+多MCU结构的LonWorks多功能节点,并已成功应用于实际工程.2.综合前述章节对于网络协议服务性能和系统控制性能的分析,同时借鉴软件工程中UML建模语言与面向生命周期法的开发步骤.第五章主要研究控制网络系统的互连和集成问题.首先分析和对比了控制网络系统与计算机网络系统的结构模型.其次,阐述了当前不同网络之间互连与集成的主流实用技术.最后,该章还介绍了作者基于现有技术条件实现的两个网络互连设计方案及其实际系统的构建工作.第六章总结全文的主要研究成果和创新点,同时进一步展望了今后的研究方向.

目录

文摘

英文文摘

原创性声明和关于学位论文使用授权说明

第一章绪论

1.1控制网络及控制网络系统的定义、特点和优点

1.1.1控制网络及控制网络系统的定义

1.1.2控制网络系统的特点

1.1.3控制网络系统的优点

1.2控制网络系统的发展与现状

1.2.1控制网络系统发展的三个主要阶段

1.2.2控制网络系统发展现状

1.2.3控制网络在网络体系结构中位置

1.3控制网络技术基础、研究现状与研究意义

1.3.1控制网络的技术基础

1.3.2控制网络系统的研究现状

1.3.3控制网络系统的研究意义

1.4论文的整体结构与主要内容

第二章控制网络系统中网络协议服务性能(QoS)分析

2.1控制网络协议的静态服务性能分析

2.1.1 CSMA类型的三种控制网络协议

2.1.2控制网络协议静态服务性能的图表对比分析方法

2.1.3三种CSMA类型控制网络协议静态服务性能分析结论

2.2控制网络协议的动态服务性能分析

2.2.1控制网络系统中信息传递的时序过程和时延构成分析

2.2.2控制网络协议动态服务性能的解析分析

2.2.3控制网络协议动态服务性能的仿真分析

2.3控制网络协议改进方法的研究

2.3.1基于优先级CSMA协议的改进

2.3.2总线以太网CSMA/CD-Master/Slave Polling切换混合协议

2.4本章小结

第三章控制网络系统中控制性能(QoCP)分析

3.1控制网络系统中采样频率的确定

3.1.1控制网络系统中采样频率和控制性能关系的定性分析

3.1.2控制网络系统中单回路采样频率的选取范围

3.1.3控制网络系统中多回路优化采样频率的确定

3.1.4结论

3.2控制网络系统的稳定性分析

3.2.1典型闭环控制网络系统的结构

3.2.2具有传输时延控制网络系统稳定性的确定分析方法

3.2.3具有传输时延控制网络系统稳定性的随机分析方法

3.2.4具有丢包问题控制网络系统的稳定性条件

3.3控制网络系统中二自由度内模优化网络控制器的设计

3.3.1随机性网络传输时延的确定化

3.3.2二自由度内模网络控制器的设计

3.3.3基于混沌算法的控制器参数优化整定

3.3.4仿真分析

3.3.5结论

3.4本章小结

第四章控制网络系统中节点和系统整体的设计

4.1控制网络节点的设计

4.1.1控制网络系统中节点的分类

4.1.2控制网络节点开发中多处理器结构功能模块化的软硬件协同设计方法

4.1.3控制网络节点开发实例——CPLD+多MCU结构LonWorks多功能节点的实现

4.1.4结论

4.2控制网络系统的整体设计

4.2.1控制网络系统的整体建模和开发过程

4.2.2控制网络系统整体设计过程的示例

4.2.3结论

4.3本章小结

第五章控制网络系统中网络互连与系统集成

5.1控制网络系统的结构模型

5.1.1通用计算机网络系统的结构模型

5.1.2控制网络系统的结构模型

5.2不同控制网络系统之间的互连及其应用实例

5.2.1不同控制网络系统之间互连的主要方法

5.2.2基于LON总线与RS-422/485混合楼宇控制网络系统的实现

5.3控制网络与计算机信息网络的互连方法及其应用实例

5.3.1控制网络与计算机信息网络互连的主要方法

5.3.2基于TCP/IP协议的控制网络与计算机信息网络互连实现

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1论文主要研究成果与结论

6.2后续研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和从事科研工作的情况

致谢