基于IP的网络控制系统建模与控制器设计

摘要

网络控制系统(Networked Control Systems,NCS)是将传感器、执行器和控制器使用公共的通信总线连接的分布式控制系统,是网络通信技术与控制技术相结合的产物,由于其成本低廉、易于维护而在近年来得到了广泛关注.然而,从点对点到使用公用的通信总线,这种通信方式的改变在控制系统中引入了不同形式的时延.由于网络时延的存在,使得控制系统的动态性能变差,稳定性降低,给网络控制系统的分析和设计带来了困难.本文具体包括以下几方面的内容:1.通过阅读总结大量的中英文文献,对NCS系统中建模方法、稳定性分析以及控制策略设计和应用作了较为系统的阐述.2.借鉴队列模型,对NCS中的通信环节进行动态建模,针对基于IP网络的NCS系统提出了一个直接描述其它数据流对控制系统性能影响的动态模型.在网络环节动态模型的基础上,通过一个PID控制器的设计,来研究NCS中采样数据滞后和丢失对控制品质的影响.3.针对基于IP网络的NCS系统中,各节点时钟难以同步,回路中时延远大于采样周期且变化的范围很大的特点,引入网络回程时间对全回路网络控制系统的回路时延进行实时估计,并设计了动态自适应Smith补偿控制器对不定时延和丢包进行补偿,通过仿真验证了使用该方法控制品质和鲁棒性均好于常用的确定性队列缓冲方法和传统PID方法.

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章网络控制系统研究综述

1.1引言

1.1.1网络控制系统基本概念

1.1.2网络控制系统基本结构

1.1.3 NCS中存在的问题

1.2 NCS常用网络时延特性分析

1.3 NCS的研究现状

1.3.1从通讯技术角度出发

1.3.2从控制论角度出发

1.4 NCS的对象建模方法

1.5 NCS的稳定性研究

1.6基于时延特性的各类控制方法

1.6.1时间调度算法

1.6.2摄动法

1.6.3增广向量控制方法

1.6.4缓冲队列方法

1.6.5最优随机控制方法

1.6.6鲁棒控制方法

1.7国内其它的一些研究状况

1.8本文的研究工作

1.8.1基本思想

1.8.2内容安排

第二章基于IP的NCS中通信网络动态模型的建立

2.1引言

2.2基于IP网络控制系统的描述

2.3 NCS网络环节队列模型的建立

2.4闭环系统仿真

2.5本章小结

第三章自适应Smith补偿器设计

3.1引言

3.2网络时延的动态估计

3.3基于回程时间的自适应Smith动态补偿器设计

3.4闭环系统仿真

3.4.1仿真系统的构造

3.4.2模型与实际对象相符时的仿真结果

3.4.3模型与实际对象存在偏差时的仿真结果

3.5结果分析

3.6增益自适应的动态Smith补偿器设计

3.7本章小结

第四章结论与展望

4.1研究工作总结

4.2网络控制系统的难点和值得研究的方向

参考文献

附录

个人简介

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士期间参与的科研项目