基于时延补偿和预测控制的网络控制系统研究

论文摘要

网络控制系统(Networked Control Systems, NCS),是一种通过实时网络构成闭环的分布式反馈控制系统。其中,控制器、传感器、执行器各节点通过共享的网络来交换信息。网络控制系统集成了计算机技术、通信技术和控制理论,是一个新兴的研究热点并且成为现代工业生产的主要发展方向。它具有信息资源能够共享、系统成本低、使用灵活、易于维护等优点,但同时网络传输也会产生时间延迟、数据包丢失等问题。这不仅给NCS的分析带来了困难,而且使得许多传统的控制理论不能直接应用到NCS的设计当中。本文主要针对网络控制系统做了以下工作：首先,介绍了网络控制系统产生的背景和目前解决时延问题的控制算法,并通过理论分析和仿真,研究了时延对网络控制系统稳定性和动态性能的影响。其次,针对网络时延,本文利用状态预估控制的方法对传感器到控制器之间的时延进行补偿,研究了基于状态预估的网络控制系统的建模、稳定性分析、控制器设计等问题。再次,在随机时延网络控制系统建模的基础上,本文采用适合于网络控制系统的改进动态矩阵控制(Dynamic Matrix Control, DMC)算法,实现了对传感器到控制器时延的补偿设计,通过仿真证实了DMC算法处理NCS时延问题的有效性。最后,本文利用广义预测控制(Generalized Predictive Control, GPC)算法中冗余的预测输出序列和控制增量序列,通过在执行器端设置网络时延补偿器的办法,实现了对整个网络时延的补偿。对于系统模型失配和噪声干扰问题,本文采用一种GPC和模糊控制相结合的控制策略,仿真结果验证了控制器设计方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 网络控制系统的产生背景
• 1.2 网络控制系统中的基本问题
• 1.3 网络控制系统控制方法研究现状
• 1.4 本文主要工作及内容安排
• 第二章 NCS的时延分析及状态预估补偿研究
• 2.1 网络时延的组成分析
• 2.2 节点驱动方式对网络时延的影响
• 2.3 网络时延对NCS动态性能和稳定性的影响
• 2.4 基于状态预估控制的NCS的设计
• 2.4.1 基于状态预估的NCS短时延补偿控制
• 2.4.2 基于状态预估的NCS长时延补偿控制
• 2.4.3 仿真算例
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于动态矩阵控制算法的NCS时延补偿研究
• 3.1 动态矩阵控制算法基本原理
• 3.2 基于动态矩阵控制算法的NCS设计
• 3.3 基于动态矩阵控制算法的一类短时延NCS设计
• 3.3.1 基于系统时延模型的动态矩阵控制补偿算法
• 3.3.2 基于区间分割的动态矩阵控制补偿算法
• 3.3.3 仿真算例
• 3.4 基于动态矩阵控制算法的一类长时延NCS设计
• 3.4.1 恒定时延的动态矩阵控制补偿算法
• 3.4.2 随机时延的动态矩阵控制补偿算法
• 3.4.3 仿真算例
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于广义预测控制算法的NCS研究
• 4.1 广义预测控制算法基本原理
• 4.2 基于广义预测控制算法的NCS设计
• 4.2.1 基于广义预测控制算法的时延补偿设计
• 4.2.2 传感器端缓冲器的设计
• 4.2.3 控制器的设计
• 4.2.4 网络时延补偿器的设计
• 4.2.5 仿真算例
• 4.3 具有模糊校正的广义预测控制算法在NCS中的应用
• 4.3.1 模糊控制介绍
• 4.3.2 模糊补偿
• 4.3.3 仿真实例
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢