網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究與設計.pdf

1、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(NetworkedControlSystems,簡稱NCS)是指通過帶寬受限的網(wǎng)絡連接分布在不同地理位置的網(wǎng)絡設備而組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)相比,具有信息資源共享、系統(tǒng)連線少、易于擴展和維護等優(yōu)點,滿足了大型工業(yè)過程控制系統(tǒng)規(guī)模擴大化、結構復雜化、數(shù)據(jù)共享化和控制遠程化的需求,因而備受科研工作者和工程技術人員的青睞。同時,由于控制系統(tǒng)采用存在不確定性的共享網(wǎng)絡作為通信媒介,控制系統(tǒng)性能不僅與控制策略和控制

2、設備相關,而且受到當前網(wǎng)絡狀態(tài)的影響。正是由于實際控制系統(tǒng)發(fā)展需求,基于網(wǎng)絡環(huán)境的控制系統(tǒng)研究應運而生,受到了眾多學者的關注。因此,網(wǎng)絡控制系統(tǒng)研究不僅具有重要的理論價值,而且具有重要的實際意義。本文重點研究了針對網(wǎng)絡環(huán)境的系統(tǒng)建模、控制策略、實驗平臺和工程實例等,主要工作概括如下:
　　 首先,論述了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究背景和研究意義,綜述了幾類網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制策略的研究現(xiàn)狀。依托作者參與研發(fā)的實際工程項目,監(jiān)測控制系統(tǒng)網(wǎng)絡環(huán)境

3、,并分析網(wǎng)絡狀態(tài)對控制系統(tǒng)影響,提出網(wǎng)絡控制系統(tǒng)尚需解決的若干問題。最后,根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點驅動方式不同,給出了考慮網(wǎng)絡狀態(tài)的被控對象離散數(shù)學模型,并由該模型推導出網(wǎng)絡不確定性造成的模型誤差,為網(wǎng)絡控制系統(tǒng)后續(xù)研究奠定了基礎。
　　 其次,針對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)前向通道和反饋通道同時存在隨機丟包的問題,提出了基于廣義預測控制算法的雙向通道丟包補償和控制量優(yōu)化策略。首先根據(jù)預測信息,分別設計了控制量補償隊列和對象輸出補償隊列,給出了與當前網(wǎng)絡

4、狀態(tài)相關的補償策略運行方式。然后,充分利用控制量多步預測值中的有效信息,設計了控制量優(yōu)化算法。最后,通過仿真實驗進行驗證。
　　 然后,針對網(wǎng)絡環(huán)境影響被控對象模型精度的問題,提出了基于遺傳算法參數(shù)優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡預測控制策略,分別設計了用于模型預測和控制量計算的神經(jīng)網(wǎng)絡。該策略根據(jù)被控對象狀態(tài)修正神經(jīng)網(wǎng)絡權值,將網(wǎng)絡時延引起的對象不確定性轉化為系統(tǒng)參數(shù)的變化,抑制了網(wǎng)絡不確定性對系統(tǒng)性能的影響。同時,采用遺傳算法尋優(yōu)得到控制系統(tǒng)

5、最佳初始參數(shù),降低了系統(tǒng)參數(shù)整定的難度。通過仿真實驗證明了該策略的有效性。
　　 再次,針對時變時延影響網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制品質的問題,提出了基于克隆免疫預測的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延補償策略。首先,根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點驅動方式,建立網(wǎng)絡環(huán)境下被控對象離散數(shù)學模型。然后,根據(jù)網(wǎng)絡時延造成的模型誤差,通過神經(jīng)網(wǎng)絡學習,建立了神經(jīng)網(wǎng)絡時延補償模型,用于補償短時延。同時,根據(jù)算法多步預測值,設計預測補償隊列,用于補償長時延,保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性。最后,通

6、過與其他預測算法對比證明了該策略的優(yōu)越性和實用性。
　　 最后,實際工業(yè)過程控制系統(tǒng)對安全性、可靠性和穩(wěn)定性的要求很高,使網(wǎng)絡控制系統(tǒng)理論研究成果無法直接應用于生產(chǎn)實踐。針對這個問題,設計并開發(fā)了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實驗平臺,用于驗證理論成果的有效性和可靠性。首先,根據(jù)新型控制策略驗證需求,開發(fā)網(wǎng)絡實驗平臺。新型控制策略可通過該平臺進行真實網(wǎng)絡環(huán)境或虛擬網(wǎng)絡的性能測試。然后,提出了節(jié)點驅動方式、通信協(xié)議、時延測量、時鐘同步等關鍵技術的實