网络控制系统控制与调度协同设计的研究

论文摘要

随着计算机技术、控制科学技术以及网络通讯技术的交互结合发展,对计算机控制提出了更高的要求,网络控制系统正是在这样的背景下发展起来的。网络控制系统在解决了诸多计算机控制中存在不足的同时也亟待处理因通讯网络的介入而产生的诸如诱导时延、数据包丢失等问题,这使得分析和设计变得更加复杂。系统的稳定性研究和设计是网络控制系统需要首要解决的问题。由于数据的传输要通过专用的控制网络,所以会受到网络带宽资源以及网络结构的影响而产生时延,会使得控制系统的稳定性难以保证。现有的抑制时延对系统稳定性影响的研究往往都是针对某种特定的时延设计网络控制器,这样或者需要增加控制资源消耗,或者难以保证系统稳定性。本文针对网络时延的特性进行了深入分析,发现网络中存在的时延一般为随机时延,时延大小的改变对于系统稳定性的也有影响。在此基础上,分别针对不同类型的随机时延提出三种控制方法进行抑制,即改变系统结构,设计相应的缓冲器将变时延转化为固定时延；通过极点配置的方法,设计状态反馈控制器；将时变时延作为一个不确定参数,通过模糊控制方法设计鲁棒性好的控制器来抑制时延的影响。网络控制系统另一个重要的研究方向就是网络信息的调度问题。如何分配网络资源,建立资源分配与控制性能的关系,使由于引入共享网络所带来的数据发送得以合理规划是网络调度需要解决的问题。现有研究为了简化分析和设计的难度,常常在一定假设基础上把控制与调度分开设计,但是这样忽略了控制与调度二者对系统性能的影响相互制约,难以获得良好控制性能。本文研究了受到控制性能以及调度方法制约的采样周期的选取方法,在合理的控制器基础上设计包含有优化采样周期的调度器,提出了网络控制系统的控制与调度协同设计的方法,提高了控制系统性能指标。仿真分析结果表明,本文所提出来的协同设计的策略是合理的、有效的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 网络控制系统概述
• 1.1.1 网络控制系统的定义与基本结构
• 1.1.2 网络控制系统的形成过程
• 1.2 网络控制系统的基本问题与研究现状
• 1.2.1 网络诱导时延
• 1.2.2 数据丢包
• 1.2.3 单包与多包传输
• 1.2.4 节点驱动方式
• 1.3 协同设计目的与意义
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 网络控制系统建模
• 2.1 引言
• 2.2 控制网络及分类
• 2.3 网络控制系统建模
• 2.3.1 被控对象建模
• 2.3.2 控制网络建模
• 2.4 Truetime仿真器
• 2.4.1 Truetime基本概念
• 2.4.2 Truetime模块配置与编译
• 2.4.3 Truetime网络控制系统仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 时延综合控制算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 网络控制系统时延分析
• 3.2.1 时延产生机理
• 3.2.2 时延的计算
• 3.2.3 时延的影响及抑制方法
• 3.3 时延预估控制器设计方法
• 3.3.1 Smith预估基本原理
• 3.3.2 基于Smith预估控制的网络时延抑制方法
• 3.3.3 仿真分析
• 3.4 极点配置控制器设计方法
• 3.4.1 极点配置基本原理
• 3.4.2 基于极点配置的网络时延抑制方法
• 3.4.3 仿真分析
• 3.5 模糊控制器设计方法
• 3.5.1 模糊控制基本原理
• 3.5.2 基于模糊控制的网络时延抑制方法
• 3.5.3 仿真分析
• 3.6 网络控制系统综合控制
• 3.7 本章小结
• 第4章 控制与调度协同设计
• 4.1 引言
• 4.2 网络调度基本概念
• 4.2.1 时间参数
• 4.2.2 网络传输信息分类
• 4.2.3 网络调度分类
• 4.3 开环调度算法研究
• 4.3.1 单速率静态调度算法
• 4.3.2 最早截止优先动态调度算法
• 4.4 控制与调度协同设计
• 4.4.1 采样周期优化调整
• 4.4.2 控制算法与调度策略的协同设计
• 4.5 仿真分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢