网络控制系统预测算法的研究

论文摘要

网络控制系统(Networked Control Systems, NCSs)是指通过网络形成闭环的反馈控制系统,其特征是系统各组件(传感器、控制器、执行器)之间可以通过网络交换信息。随着网络的引入,增加了控制系统的分析和设计的复杂性,同时也给控制系统带来很多问题,最明显的是要考虑网络产生时延对系统的影响,以及由于网络传输的不可靠性而存在的数据包丢失现象,时延和丢包现象的存在不但会降低系统控制性能,有时甚至会使系统不稳定。本文考虑了NCS中存在的多种问题,研究了网络控制系统预测控制算法。本文以网络控制系统为研究对象,首先介绍了其产生的背景和目前的控制算法；再在研究了大量文献的基础上,从采样周期,节点驱动方式,时钟同步具体分析了这些因素对网络控制系统的性能影响,并讨论了网络控制系统的诱导时延,数据包丢失,延时抖动,网络调度等基本问题。然后分析了分别考虑网络时延和数据包丢失,以及同时考虑两个因素时对系统稳定性的影响,给出了稳定性的分析。针对网络的时延和数据包丢失现象,本文提出了分别基于动态矩阵控制(DMC)的网络控制算法和基于广义预测(GPC)的网络控制算法。在随机延时网络控制系统的建模的基础上,设计了分别针对时延问题的动态矩阵控制和基于动态矩阵的数据包补偿策略；基于广义预测控制算法的网络控制研究主要包括广义预测控制加缓冲队列机制的算法,和基于极点配置与时延误差补偿的网络控制系统预测算法设计。本文提出的NCS预测算法继承了预测控制的诸多优点,通过仿真显示算法有着良好的控制性能。

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 目前网络控制系统的控制算法
• 1.3 本文主要工作及内容安排
• 第二章 网络控制系统问题分析
• 2.1 网络控制系统行为分析
• 2.1.1 采样周期
• 2.1.2 节点的驱动方式
• 2.1.3 时钟同步
• 2.2 网络控制系统中的基本问题
• 2.2.1 网络诱导时延
• 2.2.2 数据包丢失
• 2.2.3 延时抖动
• 2.2.4 网络调度
• 2.3 网络诱导时延分析
• 2.3.1 闭环中的网络时延
• 2.3.2 不同节点驱动方式时NCS的时延特性
• 2.4 小结
• 第三章 网络控制系统稳定性分析
• 3.1 稳定性的基本概念
• 3.2 网络传输时延对系统稳定性的影响
• 3.2.1 定常延时
• 3.2.2 最大允许延迟时间（MADB）
• 3.3 数据包丢失对系统稳定性的影响
• 3.4 同时具有延时和数据包丢失的网络控制系统的稳定性
• 3.4.1 同时具有延时和数据包丢失的网络系统的建模
• 3.4.2 稳定性分析
• 3.5 小结
• 第四章 基于动态矩阵控制算法的网络控制系统研究
• 4.1 动态矩阵控制算法介绍
• 4.2 随机延时网络控制系统的建模
• 4.2.1 问题的描述与基本假设
• 4.2.2 单包传输的建模
• 4.3 网络控制系统动态矩阵控制
• 4.3.1 网络控制系统时延问题的动态矩阵控制
• 4.3.2 基于动态矩阵控制的数据包丢失补偿策略
• 4.4 小结
• 第五章 基于广义预测控制算法的网络控制系统研究
• 5.1 广义预测控制算法介绍
• 5.1.1 预测模型
• 5.1.2 滚动优化
• 5.1.3 反馈校正
• 5.2 网络控制系统广义预测控制
• 5.2.1 网络控制系统的广义预测控制
• 5.2.2 仿真结果
• 5.3 基于极点配置与时延误差补偿的网络控制系统预测控制
• 5.3.1 网络控制系统预测控制方法
• 5.3.2 仿真
• 5.4 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所完成的学术论文