网络控制系统时延补偿及调度算法研究

论文摘要

随着计算机网络技术、嵌入式系统的发展以及控制规模的扩大,出现了一类基于通信网络的控制系统,即网络控制系统(Networked Control System, NCS)。所谓网络控制系统是指,利用通讯网络实现地域上分布的现场传感器、控制器和执行器之间的信息交互,以达到对被控对象的实时反馈控制。与传统的控制系统相比,网络控制系统具有诸多优点,如可以实现远程操作与控制、方便安装与维护、增加系统的灵活性和可靠性等。但由于通信网络的引入也使控制系统中出现了许多新的问题,这给控制系统的分析和设计带来了新的挑战,同时也成为控制理论研究中的热点。本文主要针对网络控制系统中时延补偿及网络调度问题做了以下工作：首先,介绍了NCS产生的背景及其结构和特点,然后通过分析和仿真说明了网络诱导时延对控制系统的影响,并简要介绍了几种网络诱导时延补偿方法。其次,研究了基于不确定参数的NCS时延补偿方法。分别考虑了带有小于一个采样周期或大于一个采样周期随机时延的NCS,并在这两种情况下将NCS建模为带有不确定参数的时滞离散时间模型,然后利用Lyapunov稳定性判据及线性矩阵不等式等方法,得出了系统渐近稳定的充分条件,并设计了状态反馈控制器,最后通过仿真算例验证了算法的有效性。再次,研究了NCS调度算法。通过TrueTime搭建了带有三个控制闭环的NCS调度平台,并在此平台上比较了Rate Monotonic (RM)和Earliest Deadline First (EDF)两种调度算法的特点。然后提出了基于系统误差及误差变化率的模糊调度算法,并通过仿真与EDF调度算法进行了比较,仿真结果说明模糊调度算法可以更加合理的分配网络资源,在网络资源不足的情况能够使网络控制系统获得更好的整体性。最后,为了使仿真更具真实性与说服力,本文利用LabVIEW搭建了完全脱离MATLAB的半实物仿真平台。以东北大学以太网为传输介质,将基于不确定系数的时延补偿方法在此平台上进行了仿真,测出了网络诱导时延,并验证了此算法在真实网络中的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 网络控制系统的产生背景
• 1.2 网络控制系统概述
• 1.2.1 网络控制系统的结构
• 1.2.2 网络控制系统的特点
• 1.3 网络控制系统中的基本问题
• 1.4 网络控制系统的研究现状
• 1.5 本文主要工作与内容安排
• 第2章 NCS时延分析、补偿及仿真环境介绍
• 2.1 网络诱导时延的产生与组成
• 2.2 网络诱导时延对系统的影响
• 2.3 NCS时延补偿方法简述
• 2.3.1 基于缓冲区的时延补偿方法
• 2.3.2 基于最优控制的时延补偿方法
• 2.3.3 基于马尔科夫链的时延补偿方法
• 2.4 NCS仿真环境TrueTime简介
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于不确定参数的NCS时延补偿方法研究
• 3.1 基于不确定参数的短时延补偿方法
• 3.1.1 短时延网络控制系统建模
• 3.1.2 短时延NCS稳定性分析及控制器设计
• 3.1.3 算例仿真
• 3.2 基于不确定参数的长时延补偿方法
• 3.2.1 长时延网络控制系统建模
• 3.2.2 长时延NCS稳定性分析及控制器设计
• 3.2.3 算例仿真
• 3.3 本章小结
• 第4章 NCS调度算法研究
• 4.1 网络调度概述
• 4.2 两种典型调度算法介绍与仿真
• 4.2.1 Rate Monotonic（RM）调度算法
• 4.2.2 Earliest Deadline First（EDF）调度算法
• 4.2.3 调度平台搭建与仿真
• 4.3 模糊调度算法的研究
• 4.3.1 模糊调度规则建立
• 4.3.2 模糊调度器设计与仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于LabVIEW的NCS半实物仿真研究
• 5.1 半实物仿真概述
• 5.2 LabVIEW简介
• 5.3 NCS半实物仿真平台设计
• 5.3.1 半实物仿真平台原理分析
• 5.3.2 时钟同步
• 5.3.3 网络诱导时延测量
• 5.3.4 半实物仿真平台搭建
• 5.3.5 基于半实物仿真平台的算例仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢