网络控制系统的设计及其应用研究

论文摘要

通过资源约束网络实现地域上分布的传感器、执行器及控制器之间的信息交互从而实现被控对象实时反馈控制的这样一类网络控制系统近年来得到了广泛的关注。通信网络介入传统点对点的控制系统使得这类网络控制系统的分析和设计变得更为复杂,因此,如何设计和开发符合网络控制系统特点的先进控制策略已成为当前控制界面临的一个挑战性课题。本文综合利用网络技术、控制技术和计算机技术,对网络控制系统的建模、优化、控制器设计等问题展开研究,具体研究内容和取得的成果如下:针对工控网络环境下的控制系统业务特点,建立了非理想网络服务质量状况下,控制器参数和网络参数的联合模型。分析了控制参数、网络参数和系统性能之间的关系,提出了基于控制和网络参数的联合优化问题,研究了优化问题的有效求解方法。针对网络控制系统的时钟同步问题,通过在数据包中附加路由信息,利用路由跟踪的策略,确定数据包到达目标节点所经过的路由器的数量,以此给出网络诱导时延的在线估计方法。通过对数据包路由信息的设置和网络路由瓶颈的分析,给出数据包传输周期的下确界和数据丢包的判别方法。针对网络服务质量对系统性能的影响,提出基于网络服务质量的网络控制器设计方法。分析了网络控制系统保性能控制器存在的网络服务质量依赖条件。通过求解线性矩阵不等式,给出了控制器的参数化设计方法。针对远程控制中非理想网络服务质量下的控制器补偿问题,提出了给定系统性能指标和特定网络服务质量下的网络控制器设计方法,给出了基于非理想网络服务质量性能补偿的控制器补偿策略。针对远程控制实验系统具有多需求、多任务并且实时性要求高的特点,提出一种基于需求特征映射的软件体系结构,设计并开发了一套基于C/S与B/S的混合体系结构的远程控制系统,并在此基础上进行实验研究。最后,对全文进行了总结,并对下一步研究提出了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图列表
• 表格列表
• 符号及缩写说明
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 网络控制的基本问题
• 1.2.1 共享网络的通讯协议与节点的驱动方式
• 1.2.2 网络诱导时延与时钟同步
• 1.2.3 数据丢包
• 1.2.4 共享通信资源的实时优化调度
• 1.2.5 网络环境下的控制器设计
• 1.3 网络控制系统的控制方法
• 1.3.1 增广状态确定性离散时间模型方法
• 1.3.2 队列方法
• 1.3.3 最优随机控制方法
• 1.3.4 摄动法
• 1.3.5 鲁棒控制方法
• 1.3.6 预测控制方法
• 1.4 网络控制的调度方法
• 1.4.1 实时调度理论的推广
• 1.4.2 优先级调度
• 1.4.3 通信序列调度
• 1.4.4 采样周期调度
• 1.4.5 带宽及其优化调度
• 1.5 网络控制的联合设计方法
• 1.5.1 CPU调度与控制协同设计
• 1.5.2 网络调度与控制协同设计
• 1.6 本文的研究工作
• 第二章 网络控制系统综合建模与联合优化
• 2.1 引言
• 2.2 网络环境下系统的综合模型
• 2.2.1 IP网络QoS模型分析
• 2.2.2 实时数据的网络服务质量模型
• 2.2.3 网络参数与控制系统参数联合模型
• 2.3 网络环境下多目标联合优化
• 2.3.1 NCS实时数据网络服务质量关键参数
• 2.3.2 QoC概念
• 2.3.3 联合优化问题描述
• 2.3.4 优化问题求解
• 2.4 本章小结
• 第三章 网络控制系统在线延时估计及其控制
• 3.1 引言
• 3.2 时钟同步问题与Time-Stamped技术
• 3.2.1 网络延时的组成与网络节点的时钟同步
• 3.2.2 Time-Stamped技术
• 3.3 ARTT时延在线估计
• 3.4 ARTT数据传输丢包判据
• 3.5 控制器设计
• 3.5.1 传输周期的下确界
• 3.5.2 传输周期的上确界
• 3.5.3 控制器设计
• 3.6 实验
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于网络服务质量的网络控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 问题描述
• 4.3 鲁棒性能分析
• 4.4 控制器设计
• 4.5 数值例子
• 4.6 本章小结
• 第五章 网络服务质量非理想状况下的控制器补偿策略
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述
• 5.2.1 远程控制系统结构
• 5.2.2 具有QoS性能补偿的网络控制系统结构
• 5.3 QoS参数在线监测
• 5.3.1 QoS参数描述
• 5.3.2 控制系统参数对网络QoS的影响
• 5.4 基于QoS性能补偿的控制策略
• 5.4.1 QoS对系统性能的影响
• 5.4.2 基于QoS性能补偿的广义预测控制
• 5.5 实验
• 5.6 本章小结
• 第六章 远程实验系统应用研究
• 6.1 引言
• 6.2 远程实验系统软件体系结构研究
• 6.2.1 虚拟实验室的软件体系结构
• 6.2.2 远程控制实验室的软件体系结构
• 6.3 基于需求特征映射的远程控制系统体系结构
• 6.3.1 远程控制系统的需求建模
• 6.3.2 远程控制系统的体系结构建模与系统实现的关键技术
• 6.4 硬件设计
• 6.5 应用实例
• 6.5.1 系统辨识
• 6.5.2 网络服务质量参数检测
• 6.5.3 控制器的动态加载
• 6.5.4 系统运行
• 6.6 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果