网络控制系统的时延分析及PID控制器的设计

论文摘要

网络控制系统（NCS）,又称网络化的控制系统,它通过物理通信网络来实现控制器—执行器和传感器—控制器之间的数据交换,使某一区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作,提高了系统的模块性、可靠性,减少安装和维护费用,在工业上得到了广泛应用。与此同时,网络的引入也带来了时延、数据丢包、资源优化调度等一系列问题,使得对网络控制系统的研究分析日益迫切。本文主要针对网络控制系统中的网络时延问题,在不考虑其他网络影响因素的条件下分析了网络时延对NCS性能的影响,说明随着时延的增大NCS的动态性能和稳定性都降低,因此在NCS的设计过程中不可忽略时延给系统带来的影响。继而讨论了NCS采用PID控制时PID参数稳定域的确定,即先确定Kp的稳定范围,然后寻找给定Kp下K（?）-Kd平面的稳定域,最后通过遍历Kp得到整个PID参数稳定域。该稳定域为NCS智能控制器的设计提供了参数调整范围。PID控制器在各种工业过程控制中显示出很多优点,但其无自适应能力,当网络时延和系统参数发生变化时不能调整控制参数,使系统性能下降。本文在PID控制的基础上引入模糊控制,采用模糊控制器根据系统误差对PID的控制参数进行在线调节,实现了对时延的良好补偿,提高了系统对参数变化的适应性,增强了抗干扰能力。最后,运用TrueTime工具箱建立了NCS仿真平台,模拟实际网络控制系统的运行,对所设计的控制策略进行验证,结果表明设计的模糊PID控制器能够对时延进行有效补偿,使系统输出快速跟踪输入。同时还分析了网络速率和丢包率不同对NCS响应性能的影响,说明了联合网络和控制特性对NCS进行综合设计的重要性。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 网络控制系统（NCS）的研究背景和意义
• 1.1.1 网络控制系统（NCS）的产生及特点
• 1.1.2 NCS存在的基本问题
• 1.1.3 NCS的研究意义
• 1.2 NCS的研究现状
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 NCS的两类研究方向
• 1.3 本文的主要内容
• 2 时延对NCS性能的影响
• 2.1 时域分析时延对NCS性能的影响
• 2.1.1 系统阶跃响应分析
• ca和τ_sc二者对系统的影响程度分析'>2.1.2 τ_ca和τ_sc二者对系统的影响程度分析
• 2.1.3 采样周期对NCS性能的影响
• 2.2 频域分析时延对NCS稳定裕度的影响
• 2.3 本章小结
• 3 NCS中PID控制器参数稳定域的确定
• 3.1 PID控制器参数的分离
• p给定时K（?）-K_d稳定域的确定'>3.2 K_p给定时K（?）-K_d稳定域的确定
• d平面的稳定边界'>3.2.1 D分割法分析K（?）-K_d平面的稳定边界
• d稳定域的不等式组'>3.2.2 归纳确定K（?）-K_d稳定域的不等式组
• d稳定域的有效ω值（ω₀）的确定'>3.2.3 影响K（?）-K_d稳定域的有效ω值（ω₀）的确定
• p稳定范围的确定'>3.3 K_p稳定范围的确定
• p稳定域的确定'>3.3.1 P控制器参数K_p稳定域的确定
• p稳定域的确定'>3.3.2 PID控制器中参数K_p稳定域的确定
• 3.4 典型时延系统PID稳定域分析
• 3.4.1 高阶时延系统
• 3.4.2 一阶时延系统
• 3.4.3 二阶时延系统
• 3.5 本章小结
• 4 NCS中自适应模糊PID控制器的设计
• 4.1 模糊控制理论
• 4.1.1 模糊控制的发展和特点
• 4.1.2 模糊控制器的结构和组成
• 4.2 模糊PID控制器的分类
• 4.3 自适应模糊PID控制器的设计
• 4.3.1 PID控制参数初始值的确定
• 4.3.2 基于Matlab/Fuzzy工具箱设计自适应模糊PID控制器
• 4.3.3 隶属函数的选取对控制的影响
• 4.3.4 量化因子和比例因子的选取对控制的影响
• 4.4 常规PID控制与自适应模糊PID控制比较
• 4.5 本章小结
• 5 NCS仿真平台的建立
• 5.1 NCS仿真平台方案比较
• 5.2 基于TrueTime工具箱的NCS仿真平台的建立
• 5.2.1 TrueTime仿真平台的搭建
• 5.2.2 实例仿真与分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集