论文题目: 网络传输对控制系统性能的影响分析与控制策略研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 控制科学与工程
作者: 索格罗
导师: 阳宪惠
关键词: 网络化控制系统,网络传输迟延,补偿器,数据包丢失
文献来源: 清华大学
发表年度: 2005
论文摘要: 以网络作为各组成部件之间信息传递通道的控制系统,称之为网络化控制系统。尽管网络给控制系统带来了众多便利,如节点间资源共享、互可操作性、连接简便、模块化特性和适应性等,但同时会使得控制系统的分析和综合变得更加复杂。由于网络传输不可避免的存在迟延,信号的不稳定和丢包等错误,因此传统控制系统理论直接用于网络化控制系统会引发一系列问题,从而对控制系统的性能指标造成负面影响,甚至使系统变为不稳定系统。本论文针对网络传输对控制系统性能的影响分析及控制策略进行了研究并取得了以下成果:1、在对网络化控制系统进行分析的基础上,对控制器与执行器位于同一节点的网络化控制系统,提出了针对网络传输迟延的控制策略,并推导了此类系统稳定的充分必要条件。对迟延小于一个采样周期的情况,利用对象状态模型、数据包的时间戳和当前收到的对象状态,计算出执行器动作时刻的状态值和相应的控制量,以补偿网络传输迟延的影响;对长时间传输迟延的情况,利用对象状态模型以及已有的对象状态对当前状态变量进行周期性预估,以预估器的输出作为控制计算的依据,当从网络中接收到新的对象状态值时,将采用该状态量修正估计出的状态值。2、提出了针对网络传输迟延和数据包丢失问题的CEDP (Compensation andEstimation for Delay and Packet dropout)方法。该方法在控制器中建立对象状态的近似模型,采用带时间戳的单数据包来完成数据传输,用补偿器克服网络传输迟延的影响,而当数据包丢失时采用估计器来实现状态的估计,以减轻甚至消除网络传输对控制计算的影响。3、将采用CEDP方法的网络化控制系统CEDP-NCS模型化为一个具有两个事件的异步动态系统。推导出使CEDP-NCS系统满足指数稳定条件的时变双线性矩阵不等式(BMIs)。4、为得到网络化控制系统衰减指数的最大值,提出了求解时变BMI的计算方法,创建了两个Matlab函数bound_logαi和decay_rate_ncs来实现上述BMIs求解,并给出了得到一对可行解的计算过程。
论文目录:
Abstract
摘要
Chapter 1 Introduction
1.1 Motivation
1.2 Development of control system networking
1.3 Communication networks and control systems
1.4 Networked control system research development
1.4.1 Network-induced delay
1.4.2 Packet dropout
1.4.3 Delay and packet dropout
1.4.4 Scheduling algorithm
1.4.5 Applying Quality of Service (QoS) to NCS
1.4.6 NCS simulation environment
1.5 Design methodologies in NCS
1.5.1 Scheduling algorithm methodology
1.5.2 Estimate control methodology
1.5.3 Stochastic stability analysis method
1.5.4 Queuing methodologies
1.6 Research methodology
1.7 Outline of the dissertation
Chapter 2 Network-induced delay in control systems and estimation control
2.1 Background
2.2 Different status of network-induced delays
2.3 System analysis
2.4 NCS Stability analysis using a Hybrid Systems Technique
2.5 Estimator design for NCS
2.6 Numerical example
2.7 Conclusions
Chapter 3 Stability analysis of control systems with long time network-induced delays
3.1 Background
3.2 Problem formulation
3.3 Modeling of NCS with long time delays
3.4 Stability analysis
3.5 Numerical example and simulation results
3.6 Conclusions
Chapter 4 Delay and packet dropout compensation and the system stability analysis
4.1 Introduction
4.2 Modeling an NCS as an asynchronous dynamical system
4.3 The CEDP-NCS approach
4.3.1 Compensator design
4.3.2 Estimator design
4.4 Stability conditions for the designed CEDP-NCS
4.5 The CEDP-NCS-1 robustness analysis and simulation
4.5.1 Simulation environment
4.5.2 Searching for a suitable δ value
4.5.3 The designed CEDP-NCS-1 robustness analysis
4.6 The CEDP-NCS-2 simulation results
4.6.1 Simulation environment
4.6.2 Example and simulation results
4.7 Conclusions
Chapter 5 Maximization of the networked control system decay rate and its applications
5.1 Introduction
5.2 Method description
5.2.1 Bounds on the transmission rate and the BMIs expression
5.2.2 Procedure of finding a feasible solution for the BMIs
5.3 Method implementation using Matlab-LMI toolbox
5.3.1 Mincx and feasp functions
5.3.2 Algorithm realization
5.4 Application
5.5 Conclusions
Chapter 6 Agent-based networked control system simulation design
6.1 Motivation
6.2 The NCSS framework
6.3 NCSS implementation
6.3.1 NS brief presentation
6.3.2 Application description
6.3.3 Design and implementation
6.4 Delay and packet lost analysis using the designed NCSS
6.4.1 Influence of network bandwidth and parameters
6.4.2 Effect of the plant number
6.4.3 Analysis of the influence of sampling period
6.5 NCSs simulation example
6.6 Conclusions
Chapter 7 Conclusions
References
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在国际和国内学术刊物上发表的论文
在国际和国内学术会议上发表的论文
已投出的论文
发布时间: 2006-06-29
参考文献
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