基于TCP-IP網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)建模及網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)PID控制器研究.pdf

1、由于控制、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的進(jìn)步，導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生，也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，控制回路通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)。同時(shí)，由于以太網(wǎng)具有易組網(wǎng)、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，正在快速地進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。而且在企業(yè)信息化和全局優(yōu)化的要求之下，甚至出現(xiàn)了基于Intcrnct的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，往往采用TCP/IP協(xié)議連接，可以統(tǒng)稱為TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)是隨機(jī)的、不確定的，給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析

2、和設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，因此研究基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題具有重要學(xué)術(shù)探索價(jià)值。 PID控制由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、物理概念清晰等，在實(shí)踐過(guò)程中積累了豐富的參數(shù)整定經(jīng)驗(yàn)，仍然廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過(guò)程中。探討PID控制器在網(wǎng)絡(luò)延時(shí)下的參數(shù)整定方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 于是，本文以一個(gè)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的實(shí)例一與：Internet連通的校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，測(cè)量并分析校園網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的特性，建立

3、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的統(tǒng)計(jì)模型，并在此基礎(chǔ)上研究網(wǎng)絡(luò)PID控制器的設(shè)計(jì)方法及補(bǔ)償措施。本文的主要研究成果如下： 首先，在校園網(wǎng)上建立了一個(gè)基于應(yīng)用層的測(cè)試平臺(tái)。在該平臺(tái)上獲得了比較充分的延時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。利用小波分析方法和方差聚類分析方法揭示了與Internet連通的校園網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)具有自相似特性的規(guī)律。由于校園網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的復(fù)雜性，當(dāng)采用短時(shí)段網(wǎng)絡(luò)延時(shí)序列建立網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分布統(tǒng)計(jì)模型時(shí)，僅僅采用一個(gè)分布模型描述延時(shí)是不精確的。為了獲得在一個(gè)滑窗中實(shí)用

4、的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)統(tǒng)計(jì)模型，在多個(gè)較簡(jiǎn)單的備選分布中通過(guò)卡方檢驗(yàn)確定了兩個(gè)擬合度最好的模型，即廣義指數(shù)分布模型及Parcto分布模型。同時(shí)，為了克服卡方檢驗(yàn)精度依賴于樣本長(zhǎng)度的問(wèn)題，也為了能夠在線獲得合適的延時(shí)分布模型，提出了采用支持向量機(jī)分類器獲得分布模型的思路和方法。 由于TCP/IP協(xié)議具有不會(huì)丟包、但可能錯(cuò)序的特點(diǎn)，在執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)及控制器節(jié)點(diǎn)上的設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式必須要仔細(xì)選擇?？紤]到TCP/IP網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的這些特點(diǎn)，提出了在執(zhí)行器節(jié)

5、點(diǎn)上人為丟棄過(guò)期到達(dá)數(shù)據(jù)包的算法。 上述分析、測(cè)試及建模過(guò)程，給出了校園網(wǎng)絡(luò)延時(shí)特性分析的可靠結(jié)果。這些結(jié)果克服了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析時(shí)只能假設(shè)網(wǎng)絡(luò)特性的不準(zhǔn)確做法，為進(jìn)一步針對(duì)其他類型TCP/IP網(wǎng)絡(luò)控制的分析設(shè)計(jì)奠定了實(shí)驗(yàn)分析基礎(chǔ)。 第二，針對(duì)線性低階工業(yè)時(shí)滯對(duì)象，采用簡(jiǎn)單的方法推導(dǎo)了參數(shù)化PI控制器的增益穩(wěn)定范圍，并證明了該范圍與時(shí)滯的關(guān)系。根據(jù)增益范圍和延時(shí)統(tǒng)計(jì)模型，提出了在不同模型參數(shù)條件下的控制器增益離線優(yōu)化

6、算法。為了保證能夠得到全局最優(yōu)解，尋優(yōu)過(guò)程采用了遺傳算法。并在離線尋優(yōu)的基礎(chǔ)上，在線通過(guò)實(shí)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，由一個(gè)滑窗確定當(dāng)前最合適的分布模型，并利用滑窗估計(jì)的模型參數(shù)在線確定最優(yōu)的增益。仿真結(jié)果表明了這種方法能夠根據(jù)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)情況自整定參數(shù)化PI控制器增益，從而能夠有效改善網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下PI控制器的性能。這種方法為已有PI控制器的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了一個(gè)在線整定的有效途徑。 第三，通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)分解為常數(shù)項(xiàng)和擾動(dòng)項(xiàng)，建立了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的數(shù)學(xué)模型。

7、將延時(shí)的常數(shù)項(xiàng)部分作為對(duì)象建模的一部分，從而構(gòu)造一個(gè)廣義的標(biāo)稱對(duì)象。延時(shí)的擾動(dòng)部分作為乘性擾動(dòng)加入系統(tǒng)。分別采用H-理論和μ分析方法設(shè)計(jì)魯棒網(wǎng)絡(luò)PID控制器。經(jīng)過(guò)分析表明，基于一個(gè)固定參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的魯棒PID控制器不可能滿足所有延時(shí)情況下的性能需求，若要滿足不同網(wǎng)絡(luò)延時(shí)統(tǒng)計(jì)特性下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的數(shù)學(xué)模型必須能夠反映當(dāng)前的統(tǒng)計(jì)特性，并由當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)數(shù)學(xué)模型自整定魯棒PID控制器參數(shù)。分析結(jié)果表明：網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的中

8、位數(shù)和均值是最好的模型參數(shù)選取參考。在分析的基礎(chǔ)上，提出了離線設(shè)計(jì)好所有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)統(tǒng)計(jì)特性下的最優(yōu)魯棒網(wǎng)絡(luò)PID控制器，并在線根據(jù)實(shí)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)統(tǒng)計(jì)特性(中位數(shù)和均值)確定當(dāng)前最優(yōu)的魯棒網(wǎng)絡(luò)PID控制器參數(shù)的算法。 最后，由于許多工業(yè)過(guò)程難以精確建模，考慮到最小二乘支持向量機(jī)有比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更好的泛化及學(xué)習(xí)能力，故采用最小二乘支持向量機(jī)對(duì)對(duì)象建模，這種建模方法不僅適用于線性對(duì)象，也能對(duì)非線性對(duì)象建模。同時(shí)，利用廣義預(yù)測(cè)控制理論推導(dǎo)了一