闭环网络伺服控制技术研究

论文摘要

网络控制系统(NCS)是传统控制技术与信息技术结合的产物,它在各控制领域中已经得到广泛的应用。在NCS中,数据通过网络来传输,这样势必会产生网络时延。如果控制器设计对于网络时延处理不当,不仅系统性能会下降,还可能造成系统不稳定,因此,目前NCS研究工作主要是围绕网络时延问题展开的。针对NCS的特殊性,结合网络延时的实际特点,发展与NCS相适应的分析和设计理论具有积极和重要的意义。本文基于线性时不变的被控对象,以延时的补偿和处理为核心,以控制技术和实验技术相融合为基本出发点,以发展和完善NCS控制器的设计方法和相应理论为主线,以改善和提高系统性能为目标,从实验方法到控制策略对NCS进行了全面、系统的研究。首先,为了更加深入地分析和理解网络延时为控制系统带来的影响,研究了NCS中网络时延的基本组成和特性,并明确了由时延引发的时变传输周期、数据包丢失和不同节点驱动方式等一系列特殊问题。其次,设计并实现了NCS数字仿真实验系统。实际的网络环境中延时情况实时变化,无法保证实验条件的一致性,建立数字NCS仿真实验系统有效地解决了该问题,并且可以实现人为设置数据包丢失率和时序错乱等特殊功能,因此有助于NCS的分析和研究。再次,从确定性控制和随机控制两方面分别提出了控制器设计方法和相应的解决方案。针对确定性控制方法中延时固定带来的时延最大化问题,改进了NCS节点的工作方式,通过令控制器节点倍频采样的方法配合状态预测形成了新型LQ控制。该方法使得智能节点能够及时地对新息作出响应,系统中的滞后被有效地减小。另外,针对随机最优状态反馈控制律算法复杂、计算量大,不能满足系统实时性要求的缺陷,证明了在开环系统均方可镇定的条件下NCS随机最优控制律中随机Riccati方程存在稳态解,并在此基础上提出了均方可镇定系统的随机状态反馈控制策略。该方法在保证系统控制性能接近最优的情况下,极大地减小了算法运行时间,使得系统实时性要求得以满足,在实际工程中具有较大的应用价值。最后,将CAN总线引入到伺服控制系统中,设计并实现了基于CAN总线的闭环网络伺服控制系统。该系统的构建有助于更深入地了解网络控制系统中存在的实际问题并完成理论结果的实验验证,是进行NCS分析和研究必不可少的重要环节。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 选题的目的和意义
• 1.2.1 伺服控制系统的发展
• 1.2.2 点对点通信方式的弊端
• 1.2.3 闭环网络伺服控制系统的研究
• 1.3 本文内容安排
• 第二章 闭环网络控制系统
• 2.1 引言
• 2.2 网络控制系统的结构
• 2.3 网络控制系统诱导时延
• 2.3.1 时延的基本组成
• 2.3.2 时延特性
• 2.4 网络控制系统的研究现状
• 2.4.1 从网络的角度进行研究
• 2.4.2 从控制的角度进行研究
• 2.5 网络控制系统中的其他问题
• 2.5.1 时变传输周期
• 2.5.2 节点的驱动方式
• 2.5.3 时钟同步
• 2.6 本章总结
• 第三章 网络控制系统的数字仿真实验平台
• 3.1 引言
• 3.2 基于 INTERNET的NCS 仿真实验平台
• 3.2.1 设计思路
• 3.2.2 时钟驱动的网络延时模块的设计
• 3.2.3 事件驱动的网络延时模块的设计
• 3.2.4 Internet 网络延时的复现
• 3.2.5 时钟驱动、事件驱动控制器的实现
• 3.2.6 网络控制仿真实验平台的应用
• 3.2.7 本节小结
• 3.3 基于 CAN 总线的 NCS 仿真实验平台
• 3.3.1 方案设计
• 3.3.2 智能节点的实现
• 3.2.3 通信网络的实现
• 3.2.4 高阶技术
• 3.2.5 仿真实验
• 3.2.6 本节小结
• 3.4 本章总结
• 第四章 基于倍频采样和状态预测的 LQ 控制策略
• 4.1 引言
• 4.2 确定性网络控制系统的生成
• 4.3 基于状态反馈和输出反馈的 LQ 控制
• 4.3.1 可控性分析
• 4.3.2 基于状态反馈的 LQ 控制
• 4.3.3 状态反馈控制的等效性分析
• 4.3.4 状态观测器的设计
• 4.4 基于倍频采样和状态预测的 LQ 控制
• 4.4.1 网络控制系统中倍频采样和缓冲区的设置
• 4.4.2 网络控制系统数学模型的建立
• 4.4.3 状态预估方法及控制器算法
• 4.5 仿真实验
• 4.6 本章总结
• 第五章 均方可镇定系统的随机状态反馈控制
• 5.1 引言
• 5.2 随机系统的数学模型
• 5.3 基于状态反馈的随机最优控制
• 5.4 基于输出反馈的随机最优控制
• 5.4.1 最优状态估计器
• 5.4.2 NCS 的随机最优输出反馈控制
• 5.5 均方可镇定系统的随机状态反馈控制
• 5.5.1 存在的问题及控制方案的确定
• 5.5.2 准备知识
• 5.5.3 主要结果
• 5.5.4 工程应用中的简化算法
• 5.6 系统均方可镇定性的判据
• 5.7 仿真实验
• 5.8 本章总结
• 第六章 基于 CAN 总线的闭环网络伺服控制系统设计
• 6.1 引言
• 6.2 基于 CAN 总线的闭环网络伺服控制系统设计概述
• 6.2.1 总体组成
• 6.2.2 控制对象
• 6.3 硬件介绍
• 6.3.1 CAN 适配卡
• 6.3.2 CAN 智能传感器节点
• 6.3.2 CAN 智能执行器节点
• 6.4 软件设计
• 6.4.1 CAN 通信程序
• 6.4.2 上位机控制程序
• 6.4.3 智能节点程序设计
• 6.5 NCS 实验
• 6.5.1 基于 Smith 预估的三段控制算法
• 6.6 本章总结
• 第七章 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 有待进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间已发表和录用的论文
• 1. 以第一作者发表和录用的论文
• 2. 以非第一作者发表和录用的论文