网络控制系统的研究及其应用

论文摘要

网络控制系统（Networked Control Systems,简称NCS）是近十几年随着控制技术、网络技术和计算机应用技术的飞速发展而出现的一种新的控制系统理论,现已成为自动化领域的一个前沿课题。本文在近年国内、外关于网络控制系统理论研究成果的基础上,研究了网络控制系统的控制算法、调度策略、仿真工具与工程应用方面的部分问题,主要工作如下:1.详细分析了影响网络控制系统建模的主要因素,如网络传输、节点驱动和时钟同步等。根据网络节点的不同驱动组合方式给出了网络控制系统中被控对象的离散模型;提出了一种优化建模方法,考虑了系统输出的变化趋势,提高了模型精度。2.研究了广义预测控制在网络控制系统中的应用,建立了网络控制系统分布式模型,采用BP神经网络误差预测值补偿控制器预测输出与被控对象实际输出之间的误差,修正了控制器输出的控制增量值,提高了控制精度;利用隐式广义预测控制算法直接辨识最优控制器参数,减少了在线计算工作量,提高了效率。3.在特定条件下,建立了具有迟延特性的状态空间预测模型,研究了预测函数控制算法在网络控制系统中的应用,算法对克服随机长时间迟延的影响效果更好。将具有不确定性传输迟延和数据丢包的网络控制系统视为灰色系统,采用GM（1,2）灰色预测模型,改进了控制算法,使计算参数减少到两个,简化了计算步骤。4.设计了一种基于综合调度指标的混合调度方法,给出了基于RM静态调度和MEF-TOD动态调度的混合调度策略,同时发挥了两种调度算法的优越性;设计了一种基于BP神经网络和模糊反馈的两级调度策略,一级调度通过系统的结构设计减小了网络负荷;二级调度设计了模糊反馈信息调度器,根据不同的参数分配各个节点的发送信息优先级。两级调度策略在减小网络流量的基础上优化了信息优先级配置,提高了系统的控制品质。5.研究了TrueTime工具箱的特性及其使用方法;设计了基于以太网的网络控制系统仿真平台,给出了仿真平台的设计结构、工作原理、程序流程和时钟同步、迟延测试等关键技术的实现方法,对基于以太网的网络控制系统理论研究与分析有一定帮助。6.介绍了笔者参与研发的一套用于大型火力发电厂生产过程控制的现场总线控制系统的基本功能和整体结构,着重描述系统研发中的两项关键技术。首先介绍了事件-时间驱动方式工程实现的技术细节;然后介绍了采用混合任务集动态调度算法设计的高效率OPC服务器软件。该项技术实现了实时数据的双向交换,使不同网络控制系统之间的连接更加方便快捷,且开放性强,具有广泛的实际工程意义。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 网络控制系统发展概述
• 1.2.1 生产过程分类
• 1.2.2 控制系统的基本结构
• 1.2.3 控制系统发展历史
• 1.2.4 网络控制系统的提出
• 1.3 网络控制系统的特点
• 1.4 网络控制系统的研究方向
• 1.4.1 保证QoP指标的控制问题
• 1.4.1.1 稳定性分析
• 1.4.1.2 控制器设计
• 1.4.2 保证QoS指标的调度问题
• 1.4.2.1 非协议层调度
• 1.4.2.2 协议层调度
• 1.4.3 QoP与QoS指标协同设计
• 1.5 网络控制系统的研究现状
• 1.6 本文的主要研究工作及整体结构
• 第二章 网络控制系统的分析与建模
• 2.1 引言
• 2.2 网络传输问题
• 2.2.1 信息分类
• 2.2.2 传输迟延
• 2.2.3 单包/多包传输
• 2.2.4 数据包丢失
• 2.2.5 数据包时序错乱
• 2.3 网络节点问题
• 2.3.1 节点驱动方式
• 2.3.1.1 时间驱动方式
• 2.3.1.2 事件驱动方式
• 2.3.1.3 事件—时间混合驱动方式
• 2.3.2 时钟同步
• 2.3.3 采样周期
• 2.3.4 同步采样与异步采样
• 2.3.5 多速率采样
• 2.4 网络控制系统数学模型
• 2.4.1 具有迟延特性系统模型
• 2.4.1.1 驱动组合方式A对象模型
• 2.4.1.2 驱动组合方式B对象模型
• 2.4.1.3 驱动组合方式C对象模型
• 2.4.1.4 驱动组合方式D对象模型
• 2.4.2 一种优化建模方法
• 2.4.2.1 滞后一拍的一阶保持器建模方法
• 2.4.2.2 仿真实验
• 2.5 本章小结
• 第三章 网络控制系统的智能控制
• 3.1 引言
• 3.2 广义预测控制在NCS中的应用
• 3.2.1 算法设计
• 3.2.2 分布式模型
• 3.2.3 执行器节点控制队列
• 3.2.4 BP神经网络预测误差补偿
• 3.2.5 控制器节点输出队列
• 3.2.6 算法优化:隐式广义预测控制
• 3.2.7 实验设计
• 3.3 预测函数控制在NCS中的应用
• 3.3.1 具有迟延特性的对象模型
• 3.3.2 预测函数算法的设计
• 3.3.2.1 预测函数算法基本原理
• 3.3.2.2 具有迟延特性的预测模型
• 3.3.2.3 确定性控制作用
• 3.3.2.4 控制律计算
• 3.3.3 仿真实验
• 3.4 灰色预测控制在NCS中的应用
• 3.4.1 灰色广义预测控制
• 3.4.1.1 算法设计
• 3.4.1.2 仿真实验
• 3.4.2 灰色预测函数控制
• 3.4.2.1 灰色预测模型
• 3.4.2.2 算法设计
• 3.4.2.3 CAN总线仿真实验
• 3.5 基于隐式Markov模型的NCS随机输出反馈控制
• 3.5.1 隐式Markov建模
• 3.5.2 最优状态估计
• 3.5.3 最优输出反馈控制
• 3.5.4 仿真实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 网络控制系统的信息调度
• 4.1 引言
• 4.2 基于综合调度指标（SSI）的混合调度策略
• 4.2.1 调度算法分析
• 4.2.1.1 RM（Rate Monotonic）调度算法
• 4.2.1.2 动态调度算法
• 4.2.2 网络QoS调度器
• 4.2.2.1 参数定义
• 4.2.2.2 QoS调度器结构
• 4.2.3 热工过程中的混合调度策略
• 4.2.4 仿真实验
• 4.3 基于BP神经网络和模糊反馈的两级调度策略
• 4.3.1 一级调度:减小网络负荷的系统结构设计
• 4.3.2 二级调度:模糊反馈信息调度器设计
• 4.3.2.1 模糊反馈信息调度器基本原理
• 4.3.2.2 模糊反馈调度算法
• 4.3.2.3 BP神经网络预测补偿
• 4.3.3 仿真试验
• 4.4 本章小结
• 第五章 仿真平台的开发与应用
• 5.1 引言
• 5.2 TrueTime工具箱
• 5.2.1 工具箱简介
• 5.2.1.1 Kernel模块
• 5.2.1.2 Network模块
• 5.2.2 仿真实验
• NCS以太网仿真平台'>5.3 CAE_NCS以太网仿真平台
• 5.3.1 设计方案
• 5.3.1.1 平台结构
• 5.3.1.2 工作原理
• 5.3.1.3 时钟同步
• 5.3.2 仿真实验
• 5.3.2.1 迟延测试
• 5.3.2.2 控制实验
• 5.4 本章小结
• 第六章 网络控制系统的工程应用
• 6.1 引言
• 6.2 FCS165系统简介
• 6.1.1 系统结构
• 6.1.2 软件结构
• 6.1.3 硬件结构
• 6.3 驱动方式的工程实现
• 6.3.1 原理设计
• 6.3.2 CAN通讯设计
• 6.4 实时数据交换技术
• 6.4.1 OPC标准
• 6.4.2 OPC服务器的实现
• 6.4.3 混合任务集调度算法的设计与实现
• 6.4.4 工程应用实例
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、攻读博士学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间参加的科研工作