动态矩阵控制理论在网络控制系统中的应用研究

论文摘要

本文在广泛研究国内外网络控制系统发展与研究现状的基础上,总结了网络控制系统的存在的问题及以往研究成果,在此基础上主要介绍了网络控制系统的基本问题,然后用经典的PID控制策略设计控制器对网络控制系统的时延进行补偿。国内外关于网络控制系统控制器的设计有很多策略,但是存在很多不足,本文采用了动态矩阵控制理论设计控制器对时延进行补偿,将其应用于存在随机长时延的单输入单输出网络控制系统中,并采用预测前馈补偿动态矩阵控制将其应用于多输入多输出网络控制系统中。动态矩阵控制理论一般适用于线性系统,抗干扰的能力比较差,本文采用针对被控对象状态空间表达式变化而实时计算动态矩阵参数的方法,在有扰动的网络控制系统中处理时延问题取得了良好的效果。最后改进了预测前馈补偿动态矩阵控制算法,从被控对象空间状态表达式输入与输出端两个方向解耦,并根据解耦以后的子系统列出性能指标函数,从而提出了双向解耦DMC算法,这就大大提高算法求解的精度。为了证明网络控制系统研究成果或设计算法的有效性,必须进行实验。因此设计和实现网络控制系统仿真平台是必要的。本文设计的网络控制系统仿真平台在硬件设计方面采用星型的网络结构,利用一台交换机连接三台电脑,一台电脑作为被控对象,一台电脑作为控制器,一台电脑作为网络中壅塞数据的产生源。采用C++直接编写控制器与被控对象的数学模型。控制器与被控对象之间的通信通过WinSock API实现。网络的时延通过第三台电脑发送组播实现。最后,在仿真平台上验证本文提出理论方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外研究的背景及现状
• 1.1.1 网络控制系统的概念
• 1.1.2 网络控制系统的特点和优势
• 1.1.3 网络控制系统存在的问题
• 1.1.4 国内外研究的现状
• 1.1.5 课题的意义
• 1.2 本论文的主要研究内容
• 第二章 网络控制系统的分析、建模及控制器设计
• 2.1 网络控制系统的基本问题
• 2.1.1 时变传输周期
• 2.1.2 网络诱导时延
• 2.1.3 单包传输和多包传输
• 2.1.4 数据包的时序错乱
• 2.1.5 节点的驱动方式
• 2.1.6 网络的调度
• 2.1.7 时钟的同步
• 2.1.8 NCS 的实时性
• 2.2 网络控制系统的建模
• 2.2.1 单包传输NCS 的建模
• 2.2.2 单包传输有数据包丢失时NCS 的建模
• 2.2.3 多包传输NCS 的建模
• 2.2.4 多包传输有数据包丢失时NCS 的建模
• 2.3 网络控制系统PID 控制器的设计
• 2.3.1 网络控制系统PID 控制器的设计
• 2.3.2 仿真实验
• 第三章 动态矩阵控制在网络控制系统中的应用
• 3.1 动态矩阵控制理论简介
• 3.1.1 DMC 理论简介
• 3.1.2 DMC 算法的基本结构
• 3.2 DMC 在长时延单输入单输出NCS 中的应用
• 3.2.1 DMC 算法的基本原理
• 3.2.2 DMC 算法在单输入单输出NCS 中的应用
• 3.2.3 仿真实验
• 3.3 DMC 在长时延多输入多输出NCS 中的应用
• 3.3.1 预测前馈补偿DMC 算法的基本原理
• 3.3.2 DMC 算法在多输入多输出NCS 中的应用
• 3.3.3 仿真实验
• 3.4 DMC 在有扰动的长时延NCS 中的应用
• 3.4.1 有扰动的NCS 数学模型的建立
• 3.4.2 DMC 在有扰动的NCS 中的应用
• 3.4.3 仿真实验
• 3.5 DMC 加权系数对NCS 系统性能影响的分析及双向解耦DMC 算法
• 3.5.1 DMC 加权系数对NCS 系统性能影响的分析
• 3.5.2 双向解耦DMC 算法的原理
• 3.5.3 双向解耦DMC 算法在NCS 中的应用
• 第四章 基于以太网的NCS 硬件仿真平台
• 4.1 以太网的研究
• 4.1.1 以太网、控制网、设备网的简介
• 4.1.2 以太网、控制网、设备网各自的特点和不足
• 4.1.3 以太网的优势
• 4.2 WinSock 技术简介
• 4.2.1 套接字
• 4.2.2 流式套接字原理
• 4.2.3 WinSock 类的使用
• 4.3 NCS 硬件仿真平台的搭建与实验
• 4.3.1 NCS 硬件仿真平台的整体设计方案
• 4.3.2 控制器与被控对象的设计方案
• 4.3.3 网络时延的测定
• 4.3.4 控制器处理数据时间的测定
• 4.3.5 网络数据壅塞源的设计方案与实验
• 4.3.6 基于Matlab 引擎的实验数据的显示方案
• 4.3.7 硬件仿真平台实验
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 课题展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢