网络化控制系统容错方法研究

论文摘要

随着控制规模的日益扩大、计算机网络技术的飞速发展,基于计算机网络的控制系统已开始逐步应用到控制工程中。控制回路通过实施网络闭合的反馈控制系统称为网络化控制系统(Networked Control System,NCS)。网络化控制系统以其构建模块化,集成化,成本低等优点,一出现便受到了广泛的重视和研究,并且经过多年的发展,网络化控制系统研究已取得了长足的进步。但是,数据包的丢失和网络诱导时延的存在仍然是困扰系统性能和稳定性的最突出问题。本文综述了网络控制系统的概念及其结构,介绍了计算机网络的类型和特点,阐述了网络控制系统存在的主要问题以及目前针对这些问题的一些解决方法,研究了网络控制化控制系统的指数稳定和最大丢包率问题。对执行器节点和控制器节点采用事件驱动,对传感器节点采用时间驱动,基于异步动态系统理论对采样周期确定的具有数据传输成功事件与失败事件的异步动态系统进行了建模。利用Lyapunov理论和Schur补引理对网络控制闭环系统进行了稳定性分析。借助线性矩阵不等式,给出了能够使网络化控制系统稳定的充分条件。将马尔可夫跳变线性系统理论应用到网络化控制系统之中,将具有类似于伯努利分布的丢包情形的网络化控制系统理解为马尔可夫过程,而将丢包事件转化为马尔可夫过程中的可能状态。基于Schur补引理和马尔可夫链均方稳定判据,讨论了网络化控制系统的稳定性,给出了马尔可夫模型过程的网络化控制系统稳定的充分条件。为了便于研究网络化控制系统和检验研究结果,基于Matlab的TrueTime工具箱,对异步动态网络化控制系统进行了仿真研究。结果表明,在一定的丢包率范围内,异步动态网络化控制系统是稳定的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 网络化控制系统的概念和发展历程
• 1.3 网络化控制系统的结构及其优缺点
• 1.4 网络化控制系统的基本问题
• 1.4.1 时变传输周期问题
• 1.4.2 网络调度问题
• 1.4.3 网络诱导时延问题
• 1.4.4 单包传输和多包传输的问题
• 1.4.5 数据包的时序错乱的问题
• 1.4.6 数据包丢失的问题
• 1.4.7 节点的驱动方式的选择
• 1.4.8 时钟同步的问题
• 1.5 本文主要内容及研究意义
• 第二章 网络化控制系统的研究现状
• 2.1 引言
• 2.2 网络化控制系统的研究现状
• 2.2.1 控制网络体系架构的研究
• 2.2.2 调度算法的研究
• 2.2.3 控制策略的研究
• 2.3 小结
• 第三章 网络化控制系统的相关知识
• 3.1 数学预备知识
• 3.1.1 线性矩阵不等式
• 3.1.2 控制系统的Lyapunov 稳定性理论
• 3.2 系统指数稳定性介绍与分析
• 3.3 数据丢包率的上限——数据包丢失率与稳定性关系分析
• 3.4 异步动态系统（Asynchronous Dynamic Systems,ADS）简介
• 3.5 马尔可夫过程和马尔可夫链的基本概念
• 3.6 小结
• 第四章 有数据包丢失的网络化控制系统研究
• 4.1 NCS 基于ADS 的建模与其稳定性的分析
• 4.1.1 NCS 基于ADS 的建模
• 4.1.2 建模为ADS 的NCS 的稳定性分析
• 4.2 NCS 基于Markov 跳变线性系统理论的建模与其稳定性研究
• 4.3 小结
• 第五章 网络化控制系统的系统仿真研究
• 5.1 仿真技术概述
• 5.1.1 全实物实验系统仿真
• 5.1.2 半实物半仿真实验仿真
• 5.1.3 纯虚拟仿真
• 5.2 NCS 基于Truetime 仿真器的纯虚拟仿真
• 5.2.1 TrueTime 仿真器
• 5.3 基于Truetime 的网络控制系统模型的建立
• 5.4 仿真算例
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续的工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文