网络控制系统的控制器设计与仿真研究

论文摘要

随着控制系统规模的日益扩大以及计算机网络技术的飞速发展，基于计算机网络的控制系统逐步应用到控制工程中。控制回路通过实时网络闭合的反馈控制系统称为网络控制系统(Networked Control System或NCS)。网络控制系统包括多个网络节点，它们之间通过网络互相通信。然而，NCS不确定的数据传输会降低控制系统的性能甚至使系统失稳等问题还有待研究和解决。这篇论文针对线性时不变正常被控对象，考虑NCS中存在的网络诱导时延和外部扰动等主要问题，主要工作如下： 1．对网络控制系统的一些基本概念，问题及目前的研究现状做了一个比较详细的综述。 2．针对线性时不变正常被控对象，当传感器时钟驱动、控制器和执行器事件驱动、不确定时延不超过一个采样周期情况下，利用Lyapunov方法和线性矩阵不等式描述，研究了动态输出反馈NCS的鲁棒镇定、保性能最优控制和对于噪声扰动的H_∞最优控制问题以及对于不确定时延的H_∞状态观测器设计和基于状态观测器的NCS鲁棒性问题。将动态输出反馈NCS建模为含有不确定的离散时变系统。分别给出了动态输出反馈NCS鲁棒稳定的条件和鲁棒镇定律、保性能最优控制律和H_∞最优控制律设计方法，给出了H_∞状态观测器设计方法和基于状念观测器的NCS鲁棒稳定的条件。 3．利用NCS的实时仿真软件TrueTime，完成了在CAN总线上网络控制系统实时仿真系统的设计，并在此基础上对H_∞最优控制算法进行了试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 网络控制系统的基本问题
• 1.2.1 通信媒体类型及通信协议
• 1.2.2 节点的驱动方式
• 1.2.3 网络延时
• 1.2.4 丢包问题
• 1.2.5 网络调度算法
• 1.3 研究历史及现状
• 1.3.1 控制网络体系架构的研究
• 1.3.2 调度算法的研究
• 1.3.3 控制策略的研究
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第2章 控制网络的时延特性
• 2.1 NCS中典型的控制网络
• 2.1.1 以太网
• 2.1.2 设备网
• 2.1.3 控制网
• 2.1.4 实时以太网
• 2.2 时延特性
• 2.2.1 时延产生的原因
• 2.2.2 网络控制系统中时延的特性
• 2.2.3 时延对网络控制系统的影响
• 2.3 小结
• 第3章 网络控制系统的分析与控制器设计
• 3.1 动态输出反馈NCS建模
• 3.2 鲁棒镇定
• 3.3 鲁棒镇定律设计
• 3.3.1 鲁棒镇定律存在的条件
• 3.3.2 算例仿真
• 3.4 保性能控制律设计
• 3.4.1 保性能控制律存在的条件
• 3.4.2 最优保性能控制律设计
• 3.4.3 算例仿真
• ∞控制问题'>3.5 NCS的H_∞控制问题
• ∞控制律设计'>3.5.1 H_∞控制律设计
• 3.5.2 算例仿真
• 3.6 基于观测器的NCS控制
• 3.6.1 状态观测器设计
• ∞状态观测器设计'>3.6.2 H_∞状态观测器设计
• 3.6.3 基于观测器的NCS鲁棒稳定性
• 3.6.4 基于观测器的鲁棒控制器设计
• 3.6.5 算例仿真
• 3.7 章末小结
• 第4章 网络控制系统仿真
• 4.1 TrueTime仿真器
• 4.1.1 TrueTime功能模块
• 4.1.2 TrueTime模块配置、初始化与编译
• 4.2 具有时延和扰动的NCS仿真
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历