基于True Time的网络控制系统研究

论文摘要

通过实时网络构建的闭环反馈控制系统称之为网络控制系统(NCS, Networked Control Systems)。根据所使用网络传输媒介的不同,NCS可以分为有线网络控制系统(WNCS, Wire Networked Control Systems)和无线网络控制系统(WiNCS, Wireless Networked Control Systems)。NCS与传统的点对点控制系统相比,具有可实现资源共享、减少系统布线、降低成本、安装维护简便、增加系统柔性和可靠性等诸多优点,目前已广泛地应用于通信、电力、交通、军事、环境监测、机器人、工业远程控制、农业自动化、航空航天等领域。然而,由于网络的引入,导致NCS产生了一系列亟待研究和解决的特殊问题。例如：不确定的数据传输时延、数据丢包与时序错乱等,使得NCS丧失了定常性、完整性、因果性和确定性,网络时延和数据丢包将降低系统的性能质量,甚至引起系统不稳定。目前,利用True Time对NCS性能质量的仿真研究比较少,而且不全面,基于这种情况,本文利用True Time仿真工具分别建立NCS和WiNCS仿真系统,设计了测量网络时延大小和丢包个数的算法,针对影响网络控制系统性能质量的一些因素(干扰、网络时延、数据丢包、采样周期、传输速率、网络调度、功率控制和节点间距离)作了仿真研究,从仿真结果中可以看出：(1)随着干扰强度的增大,系统性能越来越差,甚至导致系统不稳定；(2)随着网络时延的增加,系统控制性能越来越差,甚至会使系统完全失控；(3)NCS能够容忍一定程度的丢包,但当丢包过多时系统将失去控制；(4)当采样周期过小时,由于过多的采样增加了网络负载,进而导致系统性能变差；当采样周期过大时,很多有用信号不能被采样得到,从而使系统性能变差,因此采样周期的选取要适当；(5)数据传输速率越大时NCS的控制效果越好,但受网络协议、传输介质等现实条件的制约,传输速率不可能无限增大；(6)不同的调度策略对系统性能有不同的影响,在本文的仿真条件下,采用FP和DM时的系统性能优于RM和EDF；(7)功率控制策略是非常有必要的,如果没有功率控制策略,节点电池也会过快的消耗完,导致系统失控；(8)当节点间距离过大时,由于信号的衰减,最终导致系统完全失控。通过仿真研究,验证了True Time仿真工具在NCS仿真研究中的有效性,为理论研究和实际应用奠定了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 网络控制系统的研究背景及意义
• 1.2 网络控制系统国内外研究现状
• 1.2.1 基于TrueTime的NCS仿真研究现状
• 1.2.2 时延的研究现状
• 1.2.3 丢包的研究现状
• 1.2.4 调度的研究现状
• 1.3 完成的主要工作及论文结构
• 2 网络控制系统的基本问题及仿真环境
• 2.1 网络控制系统的基本问题
• 2.1.1 网络控制系统的定义及结构
• 2.1.2 网络控制系统的基本问题
• 2.2 仿真环境简介
• 2.2.1 TrueTime工具箱的功能模块介绍
• 2.2.2 TrueTime工具箱的安装与使用
• 2.3 本章小结
• 3 NCS仿真研究
• 3.1 干扰对NCS性能的影响
• 3.1.1 仿真系统建立
• 3.1.2 仿真研究
• 3.1.3 结果分析
• 3.2 丢包对NCS性能的影响
• 3.2.1 仿真系统建立
• 3.2.2 仿真研究
• 3.2.3 结果分析
• 3.3 采样周期对NCS性能的影响
• 3.3.1 仿真系统建立
• 3.3.2 仿真研究
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 传输速率对NCS性能的影响
• 3.4.1 仿真系统建立
• 3.4.2 仿真研究
• 3.4.3 结果分析
• 3.5 时延对NCS性能的影响
• 3.5.1 仿真系统建立
• 3.5.2 仿真研究
• 3.5.3 结果分析
• 3.6 调度对NCS性能的影响
• 3.6.1 仿真系统建立
• 3.6.2 仿真研究
• 3.6.3 结果分析
• 3.7 本章小结
• 4 WiNCS仿真研究
• 4.1 仿真系统建立
• 4.2 仿真研究
• 4.2.1 采样周期对WiNCS的影响
• 4.2.2 数据传输速率对WiNCS的影响
• 4.2.3 干扰对WiNCS的影响
• 4.2.4 网络时延对WiNCS的影响
• 4.2.5 功率对WiNCS的影响
• 4.2.6 节点间距离对WiNCS的影响
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 硕士期间发表论文和参加科研情况
• 后记