基于小波实时滤波的有噪网络控制系统研究

论文摘要

网络控制系统是一种通过实时网络而构成闭环的特殊的分布式反馈控制系统。其中,控制器、传感器、驱动器通过一条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,是一门新兴的技术并且正成为现代工业生产的主要发展方向。它具有信息资源共享、降低系统成本、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。这不仅给网络控制系统的分析带来了困难,而且使许多传统的控制理论不能直接应用到网络控制系统的设计中。本文针对具有时间延迟和数据包丢失的网络控制系统进行了相关研究,主要工作如下:首先,讨论了具有时间延迟和数据包丢失的网络控制系统的建模问题。在考虑系统扰动的基础上,分别对具有短时延和长时延的网络控制系统进行建模,给出了时延网络控制系统的离散时间模型。对具有数据包丢失的网络控制系统,分状态反馈和输出反馈两种情况给出了系统的离散时间模型。其次,设计了基于小波实时滤波的PID控制器。对小波实时滤波算法进行研究,在此基础上构建了小波滤波器,并将其与PID控制器相结合应用到控制系统中。在具体实例的基础上,讨论了控制器参数、小波基函数、分解深度、滑动窗口大小、补偿窗口大小以及阈值选取规则等的选择依据。最后,研究了网络控制系统的补偿控制。针对网络诱导时延与数据包丢失的不确定性问题,利用实时队列协议将网络诱导时延限定在一个采样周期内,并分别利用三种补偿策略(PD、PD2和PD3)对丢失数据包进行补偿。结合小波滤波器提出一种改进的小波滤波器,并将这两种滤波器都应用到有噪声干扰的网络控制系统中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.2 网络控制系统中的基本问题
• 1.3 网络控制系统的研究现状
• 1.3.1 控制总线研究
• 1.3.2 具有时延的网络控制系统研究
• 1.3.3 具有丢包的网络控制系统研究
• 1.4 论文的主要内容及安排
• 2 具有时延和丢包的网络控制系统建模
• 2.1 具有时延的网络控制系统
• 2.1.1 网络诱导时延
• 2.1.2 具有时延的网络控制系统建模
• 2.2 具有丢包的网络控制系统
• 2.2.1 状态反馈
• 2.2.2 输出反馈
• 2.3 小结
• 3 基于小波滤波器的PID控制器研究
• 3.1 小波滤波的基础知识
• 3.2 小波滤波
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 小波滤波的数学模型及基本方法
• 3.2.3 实时小波滤波
• 3.3 基于小波实时滤波的PID控制器
• 3.3.1 PID控制算法
• 3.3.2 基于小波滤波器PID控制的原理
• 3.4 算法分析
• 3.4.1 基于小波滤波器的PID控制器参数整定
• 3.4.2 小波基函数的选取
• 3.4.3 分解深度的选取
• 3.4.4 滑动窗口的选取
• 3.4.5 阈值的选取
• 3.5 仿真实例分析
• 3.6 小结
• 4 网络控制系统的补偿控制
• 4.1 实时队列协议
• 4.1.1 实时队列协议结构
• 4.1.2 实时队列协议的时间轴
• 4.1.3 实时队列协议参数设置
• 4.2 实时队列协议的数据包丢失
• 4.2.1 丢失数据包的PD补偿
• 4.2.2 丢失数据包的PD2补偿
• 4.2.3 丢失数据包的PD3补偿
• 4.3 具有噪声的网络控制系统补偿控制
• 4.3.1 小波滤波器
• 4.3.2 改进的小波滤波器
• 4.4 仿真实例分析
• 4.4.1 无噪声网络控制系统的丢包补偿控制
• 4.4.2 有噪声网络控制系统的丢包补偿控制
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢