网络控制系统的时延补偿与稳定性研究

论文摘要

网络控制系统,简称为NCS(Networked Control System),是一种通过实时网络构成的闭环分布式反馈控制系统。其中,控制器、传感器和执行器各节点通过一条共享的网络来交换信息。但由于网络的承载能力和通信带宽有限,造成信息的碰撞、重传等现象的发生,使得信息在传输过程中不可避免的存在延时。本文主要围绕时延进行研究,并提出有效的控制方法。首先,本文介绍了网络控制系统的概念、产生的背景,并在此基础上介绍了网络控制系统中存在的几个主要问题。然后针对本文所研究的时延问题介绍了时延的研究现状。其次,介绍了网络时延产生的原因,分析了节点驱动方式的选取对时延的影响。同时给出各种条件下NCS的数学模型,并仿真分析时延对控制系统性能的影响。在此基础上,针对短时延的网络控制系统,对传统的状态观测器进行改进。利用状态观测器的预估作用,对传感器到控制器的时延进行补偿,并进行仿真。仿真结果表明该方法能够有效补偿传感器到控制器的时延,保证了网络控制系统良好的性能。针对长时延网络控制系统,通过稳定性分析,得出基于LMI的状态反馈控制器。仿真结果表明该方法的有效性。然后研究了同时具有大于一个采样周期的传输时延及数据包丢失的网络控制系统的稳定性问题,将网络控制系统建模成具有两个事件速率约束的异步动态系统,利用异步动态系统理论给出了网络控制系统指数稳定的充分条件,通过求解一组矩阵不等式,可以得出相应的状态反馈控制器。仿真结果表明了该方法的有效性。最后,展望了网络控制系统理论的发展前景,并指出了今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 网络控制系统的简介
• 1.2 网络控制系统的特点
• 1.3 网络控制系统的基本问题
• 1.4 网络控制系统的研究现状
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 网络控制系统的时延分析
• 2.1 网络控制系统性能分析
• 2.1.1 网络控制系统中常用的传输访问控制方式
• 2.1.2 网络控制系统的实时性
• 2.2 网络控制系统中的数据类型和数据特性
• 2.2.1 网络控制系统中的数据类型
• 2.2.2 网络控制系统的数据特性
• 2.3 网络控制系统时延产生的原因及过程
• 2.3.1 网络控制系统中时延产生的原因
• 2.3.2 网络控制系统中时延产生的过程
• 2.3.3 网络控制系统中的时延特性
• 2.4 不同节点驱动方式对NCS的时延的影响
• 2.4.1 时间驱动方式
• 2.4.2 事件驱动方式
• 2.4.3 不同的驱动方式对时延的影响
• 2.5 带有时延的网络控制系统的建模
• 2.5.1 短时延网络控制系统的建模
• 2.5.2 长时延网络控制系统的建模
• 2.6 时延对NCS性能的影响
• 2.7 小结
• 第3章 基于观测器的NCS短时延控制
• 3.1 网络控制系统中状态观测器的概述
• 3.1.1 状态观测器的应用背景及基本设计思想
• 3.1.2 全维状态观测器的设计步骤
• 3.2 带有时间延迟的网络控制系统模型
• 3.3 基于状态观测器的短时延补偿控制
• 3.3.1 网络控制系统中状态观测器的设计
• 3.3.2 基于状态观测器对NCS中短时延的补偿
• 3.4 系统的仿真研究
• 3.5 小结
• 第4章 长时延NCS的稳定性分析与控制
• 4.1 具有长时延的网络控制系统的稳定性分析及控制
• 4.1.1 长时延网络控制系统模型
• 4.1.2 长时延网络控制系统稳定性分析
• 4.1.3 仿真
• 4.2 具有长时延和丢包的网络控制系统的稳定性分析与控制
• 4.2.1 具有长时延及数据包丢失的网络控制系统模型
• 4.2.2 具有长时延及数据包丢失的网络控制系统的稳定性分析
• 4.2.3 仿真
• 4.3 小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢