基于动态矩阵控制的网络控制系统研究

论文摘要

网络控制系统是将网络引入传统的控制系统,从而使得控制系统中的各个设备不再受到地域的局限性,广泛应用于大规模分布式控制系统、远程操控、智能交通以及卫星控制等领域,成为近年来控制领域研究中的一个热门问题。兴起于上世纪70年代的动态矩阵控制算法则由于其无需对系统进行精确建模,仅依赖于系统阶跃响应就可以实现的特点,在过程控制领域得到广泛的使用。本文主要研究了无约束动态矩阵算法在网络控制系统中的应用,针对网络环境中可能出现的时滞和丢包问题展开了探讨,得到了一些研究结果。本文的主要工作如下:1、针对一类对即时性敏感较低的系统,通过在系统的控制器和执行器端设立缓存,将网络系统中的随机时滞通过缓存器转化为固定时滞,极大的减少了系统的复杂性。本文首先探讨了当系统存在时滞时阶跃响应系数和脉冲响应系数的计算方法。通过采用考虑时滞的阶跃响应系数和脉冲响应系数,控制器的形式与无时滞系统保持一致。接着利用Jury控制系数定理推导出采用动态矩阵控制器的系统稳定的一个充分条件。最后通过一个仿真算例验证了算法的有效性。2、针对一类对即时性敏感较高、不适宜将随机时滞转化为固定时滞的系统,利用时滞的数学期望来预测未来时滞并通过反馈校正保证系统的性能。本文首先讨论了具有不确定时滞的系统控制器的设计方法,通过利用时滞的数学期望避免了控制器需要更新大量数据的问题。在稳定性分析方面首先给出了采用阶跃响应系数预测系统未来输出值的方法,将稳定性问题转化为参数不确定问题,再利用一些单调性引理以及Jury控制系数定理,推导出采用动态矩阵控制器的系统稳定的条件。最后通过一个仿真算例,给出了在一定随机时滞情况下系统的输出,从而验证了理论的有效性。3、针对网络控制系统中的丢包问题,分析了动态矩阵控制在处理这一问题时的优势及详细的控制策略。本文首先分析了动态矩阵法的特性,即每次计算出的控制量序列常常只使用了其中的第一个值,其余作为冗余性息丢弃。在处理丢包问题时,充分利用这些冗余信息可以明显提升系统的性能表现。接下来给出了具体的改进控制策略,并以一个假定情况做了详细的说明。随后利用Jury控制系数定理,在一定的假设条件下讨论了系统的稳定性,并给出了保证系统稳定的一个充分条件。最后通过一个仿真算例,对比了采用改进控制策略与传统控制策略时系统的输出情况,从而验证了理论的有效性。最后,对全文进行了总结,并提出下一步的工作方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 计算机控制系统的发展历程
• 1.1.2 网络控制系统的特性
• 1.1.3 动态矩阵控制算法
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 针对时滞问题的研究
• 1.2.2 针对丢包问题的研究
• 1.2.3 针对动态矩阵的研究
• 1.3 本文的主要工作及内容安排
• 第二章 动态矩阵算法在固定时滞系统中的应用研究
• 2.1 系统建模及控制器设计
• 2.2 系统的稳定性分析
• 2.3 仿真研究
• 2.3.1 仿真环境介绍
• 2.3.2 仿真算例分析
• 2.4 本章结论
• 第三章 动态矩阵算法在随机时滞系统中的应用研究
• 3.1 系统分析及控制器设计
• 3.2 稳定性分析
• 3.3 仿真研究
• 3.4 本章结论
• 第四章 动态矩阵在具有丢包特性网络中的研究
• 4.1 系统分析及控制策略
• 4.2 控制量存在丢包时的稳定性分析
• 4.3 仿真案例分析
• 4.4 本章结论
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文