网络控制系统及其在水电站中的应用

论文摘要

网络控制系统,简称为NCS（Networked Control System）,是将传感器、控制器、执行器等设备通过实时网络构成的闭环反馈控制系统。NCS是控制理论、计算机技术、网络通讯技术等发展和综合的产物,具有信息资源共享、低成本、使用灵活及易于维护等优点,在工业自动化和航空航天控制系统中得到了广泛应用。由于NCS将通信网络引入到闭环控制系统中,网络传输中带宽有限、分时复用、数据传输路径不确定等因素,将会出现网络时延等问题。网络时延会降低控制系统的性能,甚至导致系统失稳,这给NCS分析、设计带来了很大的困难。针对网络控制系统存在的时延等问题,本文进行了以下几方面的研究工作:（1）以自动化工程中常用的PLC和PROFIBUS-DP组成的典型NCS为研究对象,深入分析总线主站内部工作机制和PROFIBUS-DP通信协议特点,针对单主站系统信息处理特点,建立“1 -n”处理模型,研究计算高优先级信息最大传送时延的方法。（2）针对NCS中存在的时延问题,在分析网络时延特点的基础上,提出采用预测控制对网络时延进行补偿的方法,设计了预测控制产生器与网络延迟补偿器。考虑到网络控制系统中存在的时钟不易精确同步、前向时延和后向时延难于测量等问题,采用了易于测量的往返时延来实现预测控制系统的构建。（3）针对实际项目“水电站监控系统的设计”的要求,设计了基于PROFIBUS-DP的网络控制系统,采用预测控制对其网络时延进行时延补偿,应用TrueTime工具箱建立了水电站网络控制系统仿真模型。仿真结果表明,预测控制不仅能对系统的固定网络时延进行补偿,对随机时延也有良好的补偿效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 网络控制系统的结构
• 1.3 NCS 中有待解决的问题
• 1.3.1 网络诱导时延
• 1.3.2 数据丢包
• 1.3.3 数据包乱序
• 1.3.4 时钟同步问题
• 1.3.5 单包与多包传送
• 1.3.6 网络调度
• 1.3.7 网络的安全性问题
• 1.4 网络控制系统的研究现状
• 1.4.1 源于控制理论
• 1.4.2 源于信息理论
• 1.4.3 源于网络设计
• 1.4.4 通讯、计算和控制的协同研究策略
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 基于PROFIBUS-DP 的网络控制系统
• 2.1 现场总线的概念
• 2.2 PROFLBUS 现场总线概述
• 2.2.1 PROFIBUS 协议简介
• 2.2.2 PROFIBUS 传输技术
• 2.2.3 PROFIBUS 总线存取协议
• 2.3 PROFIBUS- DP 协议
• 2.3.1 PROFIBUS-DP 协议简介
• 2.3.2 PROFIBUS-DP 编码和传输技术
• 2.3.3 PROFIBUS-DP 报文格式
• 2.3.4 PROFIBUS-DP 报文类型
• 2.3.5 PROFIBUS-DP 介质访问控制MAC
• 2.3.6 PROFIBUS-DP 传输服务
• 2.3.7 PROFIBUS-DP 总线网络时延模型
• 2.4 小结
• 第三章 基于网络控制系统的水电站分层分布式监控系统
• 3.1 对水电厂计算机监控系统的基本要求
• 3.2 监控系统应具备的基本功能
• 3.3 水电厂计算机监控系统的通信任务及性能要求
• 3.4 水电站计算机监控系统总体方案设计
• 3.4.1 项目设计原则
• 3.4.2 水电站计算机监控系统总体方案
• 3.4.3 硬件配置
• 3.4.4 软件选择
• 3.5 小结
• 第四章 网络控制技术在水电站的应用
• 4.1 基于PROFIBUS-DP 的闭环网络控制系统及其时延分析
• 4.2 TRUETIME 工具箱
• 4.2.1 TrueTime 工具箱简介
• 4.2.2 用TrueTime 工具箱建立仿真系统的主要技术问题
• 4.3 预测控制原理
• 4.3.1 预测控制基本原理
• 4.3.2 广义预测控制GPC 算法
• 4.3.3 Diophantine 方程的递推求解算法及程序流程图
• 4.4 预测控制器的设计
• 4.5 网络预测控制在水电站中的应用
• 4.5.1 变频调压供水闭环系统时延分析
• 4.5.2 变频调压供水系统建模
• 4.5.3 网络控制系统仿真
• 4.6 小结
• 第五章 网络控制系统调度方法的研究
• 5.1 NCS 中的实时调度问题
• 5.2 网络调度策略的基本概念
• 5.3 典型的两种调度算法
• 5.3.1 Rate Monotonic（RM）调度算法
• 5.3.2 Earliest Deadline First（EDF）调度算法
• 5.4 使用调度器的NCS 仿真
• 5.5 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 总结
• 6.1.1 本文的主要完成工作
• 6.1.2 本文的主要创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢