网络控制系统的控制与调度协同设计研究

论文摘要

网络控制系统(Networked Control System, NCS)是以通信网络作为控制器、执行器以及传感器之间的通讯媒介,是控制科学、计算机及网络技术的综合应用。网络资源的竞争及网络时延赋予传统的控制理论和方法新的含义和研究内容,对网络控制系统调度的研究是其中重要内容之一。网络调度就是为了解决各个对象同时访问网络所产生的冲突问题,对网络资源的需求进行合理的分配。控制和调度的协同设计就是网络调度和控制设计结合起来以实现系统的控制目标,优化网络资源。本文研究了MAC层协议特点、网络的协议层和应用层调度仿真、基于采样周期的控制与调度的协同设计和基于令牌总线的最优控制器设计等问题,主要工作概括如下：首先,回顾了网络控制系统调度的基本问题、研究现状和方法,详细介绍了网络协议层的以太网、控制网和设备网的协议,并比较介绍了网络调度和实时调度。其次,分别对网络协议层调度和网络应用层调度进行仿真比较,在协议层调度下比较了不同网络负载情况下的三种网络机制的特点,并通过调度时序分析给出了详细的说明；通过设计调度器实现了实时调度算法应用到网络,并在应用层调度下比较了RM和EDF调度算法的特点。然后,基于采样周期的控制和调度的协同研究,结合CAN总线时间延迟特点,通过系统的稳定性条件可以求出采样周期的上界值,结合RM调度算法优化系统的采样周期,并通过仿真验证了该方法的有效性。最后,考虑通信网络带宽受限时的系统,鉴于令牌总线协议调度的特点,通过系统和令牌调度方式相结合,设计了有限时间性能指标最优控制器,仿真表明控制性能得到改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 网络调度问题研究
• 1.2.1 网络调度问题的研究内容
• 1.2.2 网络调度问题的研究现状
• 1.3 论文的主要内容和工作安排
• 第2章 预备知识
• 2.1 网络类型和协议
• 2.1.1 以太网（CSM/CD）
• 2.1.2 控制网（令牌环和令牌总线）
• 2.1.3 设备网（CAN BUS）
• 2.1.4 网络类型和协议比较
• 2.2 网络调度
• 2.2.1 网络调度和CPU调度的比较
• 2.2.2 网络调度问题的几个基本概念
• 2.2.3 典型的两种调度算法
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于TrueTime工具箱的网络调度仿真
• 3.1 TrueTime仿真工具箱简介
• 3.2 协议层下的网络调度仿真
• 3.2.1 不同网络协议轻载时仿真比较
• 3.2.2 不同网络协议重载时仿真比较
• 3.2.3 网络调度时序比较和分析
• 3.2.4 资源受限时采样周期的影响
• 3.3 应用层下的网络调度仿真
• 3.3.1 调度器的设计
• 3.3.2 RM和EDF的网络调度比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于采样周期的控制与调度协同研究
• 4.1 引言
• 4.2 采样周期对控制系统的影响
• 4.3 基于RM的协同设计
• 4.3.1 控制系统的稳定性条件
• 4.3.2 网络控制系统的可调度条件
• 4.3.3 性能指标的选取
• 4.3.4 仿真结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于令牌总线的控制与调度协同研究
• 5.1 引言
• 5.2 系统描述
• 5.3 基于令牌总线的最优控制器设计
• 5.3.1 最优控制预备知识
• 5.3.2 令牌总线调度方式
• 5.3.3 有限时间最优控制性能指标
• 5.3.4 控制器的求解
• 5.3.5 仿真结果
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢