基于互联网的过程控制系统研究

论文摘要

基于计算机的过程控制系统已经被广泛地应用,随着互联网技术的发展,互联网在控制领域表现出巨大的应用潜力。作为下一代控制系统的基础,基于互联网的过程控制系统的设计是控制领域的热门研究课题。基于互联网过程控制系统的功能主要是实现被控对象的远程监控;研究目标是满足控制系统安全的前提下,采取有效策略克服不确定性变化的时延影响基于互联网的过程控制系统的动态性能。 本研究的主要贡献是提出新的网络通信结构和优化控制结构来处理互联网传输的不确定性时延影响基于互联网过程控制系统的动态性能的问题。基于UDP协议,设计了一种安全的实时互联网通信传输结构;而后从控制系统本身结构出发,提出了互联网环境下双闭环预测控制方案和带时延预测器的时延补偿方案两种优化控制策略来克服不确定性的互联网传输时延对控制系统动态性能的影响,并通过仿真实验证实这两种优化控制策略的有效性。 具体地讲,本文在第一章简要介绍了课题的研究现状和本研究主要贡献及内容;第二章基于已存在的实时通信技术,设计了安全的实时互联网通信结构,并通过仿真实验验证实时数据加密算法的有效性;第三章给出了具体实时互联网通信系统的Java实现;第四章简要分析了互联网传输时延特性后,针对不确定性的互联网传输时延影响互联网控制系统的动态性能,提出了两种有前途的优化控制策略,以改善互联网控制系统的动态性能,并通过实验证实采用双闭环预测控制结构或时延补偿的控制结构都能够很好的改善系统的动态性能和保持系统的稳定性。第五章对全文进行总结,并指出进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• CONTENTS
• INTRODUCTION
• 1 OVERVIEW OF INTERNET-BASED PROCESS CONTROL SYSTEM
• 1.1 Typical Protocols for Real-time Communication
• 1.2 Synchronization mechanism
• 1.3 Internet Communication Security
• 1.4 Internet-based Control architecture
• 2 REAL-TIME INTERNET COMMUNICATION
• 2.1 Overall analysis of the real-time Internet communication
• 2.2 The proposed solution
• 2.3 End-to-end control system architecture
• 2.4 Reliable transmission and Real-time transmission solution
• 2.4.1 Network protocol analysis
• 2.4.2 Reliable and real-time transmission
• 2.4.3 Synchronization mechanism
• 2.5 Real-time Application Programming Interface
• 2.6 new security solution to the real-time communication
• 2.6.1 Typical data encryption algorithms
• 2.6.2 Hybrid algorithm based on AES and RSA
• 2.6.3 Hybrid algorithm using AES and SSL
• 2.6.4 Discuss of the experimental results
• 3 IMPLEMENTATIONS OF INTERNET COMMUNICATION
• 3.1 DESIGN PATTERN OF THE PROTOTYPE SYSTEM
• 3.2 Implementation of the RUDP package
• 3.2.1 Overview of the rudp package
• 3.2.2 Functions of each class
• 3.3 Implementation of the application layer
• 3.3.1 Overview of the test package
• 3.3.2 Functions of each class in the test package
• 3.4 Combination of TCP and UDP connection
• 3.5 Experimental evaluation
• 3.5.1 Performance test of network communication
• 3.5.2 Web-based user interface for simulation experiment
• 4 OVERCOMING THE INTERNET DELAY FOR INTERNET-BASED CONTROL SYSTEM
• 4.1 Internet Transmission Delay
• 4.2 Predictive Control-based Dual Closed-loop Control
• 4.2.1 Dual Closed-loop Control Scheme
• 4.2.2 Predictive Control
• 4.2.3 Simulation experiment and results analysis
• 4.3 Time delay compensator for Internet-based control systems
• 4.3.1 Principle of time-delay compensator
• 4.3.2 Time delay predictor
• 4.3.3 Simulation Experiment and Results
• 5 FUTURE WORK
• 5.1 Real-time communication
• 5.2 Overcoming the Uncertain Internet delay
• 6 CONCLUSIONS
• REFERENCES
• 研究生阶段发表的论文
• 致谢