网络控制系统的时延特性与稳定性分析

论文摘要

随着控制系统应用领域的日益扩大,网络控制系统的研究越来越受到人们的广泛关注。网络控制系统的特点是参考输入、对象输出和控制输入等信息在控制系统各部件间(传感器、控制器和执行器等)通过网络进行交换,使不同地点的用户实现资源共享和协同操作。然而,由于网络中的信息源很多,信息的传送要分时占用网络通信线路,而网络的承载能力和通信带宽有限,这必然容易造成信息的碰撞、重传等现象的发生,使得信息在传输过程中不可避免地存在时延,时延不仅降低系统的性能,而且是造成系统不稳定的重要因素。本硕士论文针对网络控制系统的时延特性及稳定性进行分析和研究,主要内容如下:概述了网络控制系统的研究背景、存在的基本问题、研究现状;针对网络控制系统中的时延问题,分析了时延产生的原因,总结了以往在时延问题研究上所取得的成果及所采用的主要方法;从稳定性的角度,讨论了时延对系统性能的影响。针对存在于实际系统中的一类正则、无脉冲的奇异被控对象,简要分析了奇异被控对象的网络控制系统特性,建立了一类奇异被控对象的网络控制系统数学模型,分析了该系统的稳定性,给出系统稳定的条件及最大数据包丢失率,并通过例子说明分析方法和成果的有效性和可行性。对基于Matlab的实时仿真工具TrueTime进行了简要介绍,通过该仿真工具箱,针对被控对象为倒立摆、传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、采用PD控制器的输出反馈控制系统进行了仿真分析,建立了仿真模型,并针对不同参数对系统稳定性造成的影响进行了对比。通过系统输出和控制输入的仿真曲线,阐明了稳定性与网络诱导时延、数据包丢失率、通讯网络、数据传输速率、采样周期、网络负载扰动等因素的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 网络控制系统的研究背景
• 1.2 网络控制系统的特点
• 1.3 网络控制系统的典型结构
• 1.4 网络控制系统存在的基本问题
• 1.4.1 通信媒体类型及通信协议
• 1.4.2 节点的驱动方式
• 1.4.3 网络诱导时延
• 1.4.4 NCS 数据包传输问题
• 1.4.5 网络调度问题
• 1.4.6 控制与调度的协同问题
• 1.4.7 NCS 仿真平台
• 1.5 网络控制系统的研究现状
• 1.5.1 从控制理论角度出发
• 1.5.2 从通讯技术角度出发
• 1.6 本文的主要内容
• 第二章 网络控制系统时延分析
• 2.1 时延特性分析
• 2.1.1 决定网络诱导时延的因素
• 2.1.2 时延的组成
• 2.1.3 时延的模型
• 2.2 时延网络控制系统的控制方法
• 2.3 时延对系统性能的影响
• 本章小结
• 第三章 奇异网络控制系统的稳定性分析
• 3.1 奇异系统理论
• 3.1.1 奇异系统的数学描述
• 3.1.2 奇异系统的特点
• 3.1.3 奇异系统的研究方法
• 3.2 奇异NCS 建模
• 3.2.1 奇异NCS 问题描述
• 3.2.2 奇异NCS 状态反馈模型
• 3.3 稳定性分析
• 3.4 数值算例
• 本章小结
• 第四章 网络控制系统仿真研究
• 4.1 TrueTime 的产生和发展
• 4.2 TrueTime 的基本概念
• 4.3 TrueTime 功能模块简述
• 4.3.1 实时内核模块
• 4.3.2 网络模块
• 4.3.3 无线网络模块
• 4.3.4 电源模块
• 4.4 TrueTime 的安装、配置与初始化及编译
• 4.5 NCS 仿真分析
• 4.5.1 倒立摆系统的数学模型
• 4.5.2 NCS 仿真模型的建立
• 4.5.3 NCS 稳定性仿真
• 本章小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢