具有大时滞和数据包丢失的网络控制系统的最优控制

摘要

网络控制系统(networked control systems, NCS)是通过网络将分布于不同地点的传感器、控制器和执行器连接起来，形成的一种全分布实时反馈闭环控制系统。随着控制技术和计算机通信技术的发展，以及网络节点硬件设备价格的不断下降，NCS越来越普遍的应用于控制领域。然而，由于在控制系统中引入了网络，控制系统具备了一些新的特性，如随机的网络诱导时延，数据包丢失和数据包时序混乱等，这些特性使NCS的分析和控制变得复杂，传统的控制算法已经不适合直接应用到NCS中。
　　本文首先研究了具有大时滞的线性NCS的最优控制问题，设计了缓冲器来解决网络诱导时延的随机性和数据包时序混乱的特性。通过将随机的网络诱导时延转化为固定时延，将NCS的控制问题转化为固定时滞线性系统的最优控制问题。给出了NCS最优控制的状态预测法，通过当前获取的状态信息和之前时刻的控制信息，预测固定时延后NCS的状态，最终得到NCS的最优控制律。然后在大时滞NCS的基础上添加了数据包丢失特性，通过改进缓冲器的功能来解决数据包丢失问题，即若传输过程中丢包，则使用缓冲器中时间戳最新的信息进行丢包补偿。最后通过仿真例子来验证状态预测法的有效性。
　　本文还分析了基于嵌入式Linux系统的缓冲器设计的可行性。当前NCS广泛使用基于Linux系统的网络平台，因为其是开源的，可以针对不同功能的网络节点进行定制，同时具有可移植性强，安全可靠等特点。使用Linux网络编程技术，对缓冲器设计中的空间开辟、数据包排序、定时发送等功能进行可行性分析，得出的结论是，设计具有将随机时延转化为固定时延，解决数据包丢失和数据包时序混乱的缓冲器是完全可以实现的。

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1. 绪论

1.1.引言

1.2.网络控制系统的基本问题

1.3.网络控制系统国内外研究现状

1.4.本文的主要内容

2. 具有大时滞的网络控制系统的最优控制

2.1.背景介绍

2.2.问题描述

2.3.主要结果

2.4.仿真例子

2.5.结论

3. 具有大时滞和丢包的网络控制系统的最优控制

3.1.背景介绍

3.2.问题描述

3.3.主要结果

3.4.仿真例子

3.5.本章小结

4. 缓冲器设计的可行性分析

4.1.背景介绍

4.2.Linux平台下缓冲器设计可行性分析

4.3.本章小结

5. 总结和展望

5.1.本文总结

5.2.研究展望

参考文献

附录 符号索引

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表和完成论文情况