网络化控制系统性能分析与调度优化

论文题目: 网络化控制系统性能分析与调度优化

论文类型: 博士论文

论文专业: 控制理论与控制工程

作者: 白涛

导师: 吴智铭

关键词: 网络化控制系统,现场总线,工业以太网,实时性,可靠性,采样系统,稳定性,可调度性,优化,模糊逻辑,均衡,优化

文献来源: 上海交通大学

发表年度: 2005

论文摘要: 控制系统复杂化、网络化是工业控制系统发展的必然结果,是为适应企业对其生产过程提出的更高要求而产生的集检测、控制、优化、调度、管理和决策等功能于一身的高柔性、高效率、高质量的综合自动化系统。将通信网络引入控制系统,连接智能现场设备和自动化系统,实现了现场设备控制的分布化和网络化,同时也加强了现场控制和上层管理的联系,从而改善了生产过程的安全性、可靠性、效率和消耗等性能。网络的引入,改变了控制系统信息的传递方式,也改变了控制系统的动态性能。同时,在新结构下,为保证控制的实时性、安全性、可靠性等,控制系统对网络的运行性能也提出了相应的要求。本文就工业系统的网络化控制系统构造;既定网络体系结构下,网络化控制系统的控制算法设计;网络性能的提高和优化等内容进行了研究,其主要工作包括:1.从工业系统对其控制系统要求的角度出发,第一章分析了控制结构与其网络体系结构间的关系及控制对网络运行性能的要求。进而针对工业控制网络中存在的几种典型网络,从满足控制系统实时性、可靠性、安全性等要求方面对其通信协议及其实现方式进行了系统地分析。2.在给定网络和控制系统工作模式下,第二章建立了网络化控制系统的一类统一的采样系统控制模型,通过本文提出的一种新的系统分析和综合方法,分别对工业过程中普遍存在的两类被控对象(线性系统模型和广义系统模型)的网络化控制系统的稳定性进行了研究,得到保守性较小的时延依赖的系统稳定性条件。3.在系统稳定性研究的基础上,第二章还研究了给定最大网络时延条件下控制器的设计问题,建立了网络化线性系统和网络化广义系统的镇定控制器的设计算法。4.为确保控制系统的实时性、可靠性,从提高网络服务性能的角度,第三章到第五章研究了网络调度问题。?在考虑控制系统性能、网络特性、网络带宽资源约束和数据传输实时性要求等多种因素情况下从保证控制系统性能、优化带宽资源占用、公平服务等角度研究了考虑调度抖动的网络化控制系统的带宽优化问题。以Token型和CAN型网络为例分别提出了相应的带宽调度策略,并对所提调度策略下网络的稳定性和调度的可靠性进行了分析。?针对确定性竞争网络—CAN网,提出了一种新的基于模糊逻辑的分布式、动态优先级闭环调度策略,从而在网络服务质量、带宽资源利用率和网络服务范围之间寻求一种折衷。?为适应网络化控制系统中网络负荷的波动及数据服务需求的变动,研究了基于Nash均衡和Pareto优化的柔性调度策略及其参数优化方法,从而提高了调度策略的适应性,实现了灵活、高效的网络服务。

论文目录:

中文摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 控制系统的发展趋势

1.2 监管控一体化

1.3 网络化控制系统的支持技术

1.3.1 智能化的现场设备

1.3.2 现场总线和工业以太网

1.4 网络化控制系统的关键设计问题

1.5 网络化控制系统的研究策略及其现状

1.5.1 从保证QoP 的角度归为控制问题

1.5.2 从保证QoS 的角度归为调度问题

1.5.3 兼顾QoS 和QoP 的控制与调度综合研究

1.5.4 评述

1.6 本文的研究工作

1.6.1 研究内容及其组织结构

1.6.2 本文的主要创新点

第二章网络化控制系统的建模、分析与设计

2.1 引言

2.2 基本概念与定理

2.2.1 基本概念

2.2.2 基本定理

2.3 网络化控制系统的建模

2.3.1 运行机理

2.3.2 网络化线性控制系统的采样系统模型

2.3.3 网络化广义控制系统的采样系统模型

2.3.4 其他形式网络化控制系统的采样系统模型

2.4 稳定性分析

2.4.1 网络化线性控制系统的稳定性分析

2.4.2 网络化广义控制系统的稳定性条件

2.5 控制器设计

2.5.1 网络化线性控制系统的控制器设计

2.5.2 网络化广义控制系统的控制器设计

2.6 算例验证

2.6.1 网络化控制系统稳定性的算例试验

2.6.2 网络化线性控制系统控制器设计的算例试验

2.6.3 网络化广义控制系统控制器设计的算例验证

2.7 结论

第三章网络化控制系统的带宽优化调度算法

3.1 引言

3.2 带宽优化策略的基本思想

3.2.1 两类典型的实时通信网络

3.2.2 基本假设

3.3 实时周期数据的调度策略研究

3.3.1 实时周期数据调度策略的基本思想

3.3.2 网络对控制系统性能的影响

3.3.3 Token 型网络化控制系统实时周期数据的带宽优化策略

3.3.4 CAN 型网络化控制系统实时周期数据的带宽优化策略

3.4 实时、非实时混合数据带宽优化策略

3.4.1 Token 型网络化控制系统的混合数据带宽优化策略

3.4.2 CAN 型网络化控制系统的混合数据带宽优化策略

3.5 结论

第四章动态优先级调度策略研究

4.1 引言

4.2 模糊系统

4.3 已有的动态优先级调度策略及其发展现状

4.3.1 分布式动态优先级调度策略

4.3.2 集中式动态优先级调度策略

4.3.3 已有动态优先级调度策略存在的问题

4.4 模糊优先级调度策略

4.4.1 模糊优先级配置中的标识域结构

4.4.2 模糊优先级配置策略的工作机理

4.4.3 模糊化、模糊推理及解模糊

4.4.4 模糊推理规则

4.5 仿真试验

4.5.1 模糊优先级调度策略下实时数据的可调度性能

4.5.2 模糊优先级配置策略下非实时数据的公平服务性能

4.6 结论

第五章柔性动态调度策略研究

5.1 引言

5.2 Nash 均衡和Pareto 优化

5.2.1 Nash 均衡

5.2.2 Pareto 优化

5.3 基于Nash 均衡的柔性调度策略

5.3.1 非合作模糊门限控制博弈

5.3.2 非合作模糊门限控制博弈中Nash 均衡的存在性和唯一性

5.3.3 调度参数分布式实时更新算法

5.4 基于Pareto 优化的网络服务效率的提高

5.4.1 Nash 均衡的无效率性

5.4.2 网络服务效率的提高

5.4.3 改进的调度参数分布式实时更新算法

5.5 算例试验

5.6 结论

第六章总结与展望

6.1 全文总结

6.2 进一步研究工作的展望与探讨

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢

发布时间: 2010-07-26

参考文献

[1].互联网环境下的网络化控制系统调度优化与应用[D]. 王湛昱.哈尔滨工业大学2018
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[5].网络传输对控制系统性能的影响分析与控制策略研究[D]. 索格罗.清华大学2005
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[7].网络化控制系统在电力系统中的应用研究[D]. 何飞跃.华中科技大学2006
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[9].无线网络化控制系统的分布式估计与控制[D]. 任雯.华南理工大学2014
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