（运筹学与控制论专业论文）无线网络控制系统的控制器设计与仿真.pdf

南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 摘要 近年来，随着无线技术的飞速发展，无线网络的应用越来越多，无线网络在 控制系统中的适用性引起了国内外研究工作者的极大关注无线网络控制系统 ( g r l r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，简称为w l n c s ) 是基于无线网络的分布式控 制系统，融合了控制技术、计算机技术、网络技术与通信技术，具有无需布线、 节省构建费用、组网和维护方便、易于扩展以及良好的可移动性等优点。但由于 无线网络带宽有限，使得无线网络控制系统中存在随机的时延及丢包、干扰、网 络带宽竞争等问题。因此，无线网络控制系统的分析和设计已经成为控制界的热 点研究之一 一 本文主要针对无线网络控制系统中基于时延和干扰的控制器设计及其仿真 实验进行了相关研究，主要工作如下： ( 1 ) 回顾并总结了网络控制系统的发展情况，对无线网络控制系统的基本概 念、问题以及目前的研究现状进行了详细的综述 ( 2 ) 针对网络环境，提出了基于网络时延的自适应f u z z y - p i d 控制器设计方 法以及基于干扰观测器的f u z z y - p i d 控制器设计方法，并通过数值实验对各种控 制策略进行了比较 ( 3 ) 对无线网络控制系统的仿真技术进行了研究，基于网络控制仿真软件 t r u e t n n e 以及m a n 。a b s i m u l i n k 环境，设计了一个w 稍c s 仿真系统模型，对 系统模型和控制策略进行了仿真实验，提出了一种w 玳c s 控制器参数离线优化 的方法，通过调整f u z z y - p d 控制器的转换参数来改善控制器在不同网络状况下 的控制性能。 关键镉我无线网络控制系统。网络时延，干扰。f u z z y - p i d 控制，t r u e t t m e 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s st e c h n o l o g y , w i r e l e s sn e t w o r k s 黜 w i d e l yu s e di nr e c e n ty e a r s n 圮a p p l i c a b i l i t yo f w i r e l e s sn e t w o r k si nc o n t r o ls y s t e m s i sa t w d c t i v e w t r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( w 甜c s ) i sad i s t r i b u t e dt e n , e e l s y s t e mb a s e do nt h ew i r e l e s sn e t w o r k ri sac o m b i n a t i o no fc o n t r o l ，c o m p u t e r , n e t w o r k , a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y 1 1 地w i q c sh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c h 罄 n ow i r e ，l o w e rc o s t , e a s yt om a i n t a i na n de x p a n d , h i g h e rf l e x i b i l i t y , a n ds oo n s i n c e t h eb a n d w i d t hl i m i t a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k s , s o m en e wi s s u e ss u c ha ss t o c h a s t i c d e l a y , p a c k e td r o p p i n g , i m c l t e r e l l c ea n d b a n d w i d t hc o m p e t i t i o na p p e a r t h e r e f o r e , t h e a n a l y s i sa n dd e s i g no f w d 4 c s h a sb e c o m eah o t s p o ti nt h ec o n t r o lf i e l d 1 1 砖d e s i g na n ds i m u l a t i o no ft h e c o n u v l l e ri nw f l q c sa r cs t u d i e di nt h i st h e s i s , c c 咀s i d e d n gt h ei m p a c to f n e t w o r k - i n d u c e dd e h y a n di n t e r f e r e n c e f i r s t , t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k e dc o n u 0 ls y s t e mi sr e v i e w e d , a n ds o m eb a s i c c o n t e n t s , i s s u e s ，r e c e n tr e s e a r c hr e s u l t so l lw l n c s a r es u m m a r i z e d s e c o n d , ad e s i g nm e t h o do fa na d a p t i v ef u z z y - p i dc o n t r o l l e rb a s e do d n e t w o r k - i n d u c e dd e l a ya n dd i s t u r b a n c eo b s e r v e ri sp r o p o s e d 1 1 硷p e r f o r m a n c eo f d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ed i s c u s s e dt l 埔o u g hn u m e r i c a le x p e r i m e n t s t h i r d , t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo fw f l q c si ss t u d i e d as i m u l a t i o nm o d e lo f w g n c si sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft r u e t l m ea n dm a t l a s s i m u l i n k , a n ds o m e e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e db a s e do nt h es y s t e mm o d e la n d c o n t r o ls t r a t e g i e s ad e s i g n m e t h o d o l o g yo f a na d a p t i v ef u z z y - p dc o n t r o l l e rb a s e do n b a n d w i d t ho c c u p i e d r a t ei s p r o p o s e d k e y w o r d s ：w i r e l e s sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m , n e t w a r k - i o d u c e dd e l a y , i n t e r f e r e n c e , f u z z y - p i dc o n e d , t r u e t t m e 珏 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他厨志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 日 期： 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 1 1 射言 第1 章绪论 传统的集中式控制系统中对象、传感器、控制器和执行器之间采用的是专用 的点对点通信【“，又称为直接数字式控制系统d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l s y s t e m ) ，其典型结构如图1 1 所示对这些系统进行分析和建模时，通常假设 系统组成之间的通信是瞬时发生的，即没有时延一般情况下，当控制器离控制 对象较近时，这种假设是合理的然而，随着现场采集信息量的增加，系统越来 越复杂j 现代的控制系统必须满足模块化、集中诊断和低成本的要求，因此分散 控制成为必然，从而产生了集散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) ， 如图1 2 所示。d c s 的核心思想是分散控制、集中管理。在这种分层控制系统中， 对各个现场设备的控制任务由现场级的控制单元( 如p l c 、单片机等) 完成，总体 的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完成，从而实现控制功能和管 理信息的分离。 进入2 l 世纪，自动化与工业控制技术需要更深层次的渗透通信与网络技术 一方面，现代工厂与智能设备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间，其阿 的通信需要数据通讯网络来实现。另一方面，通信网络的管理与控制也要求更多 的采用控制理论与策略集中式和集散式控制系统都有一些共同的缺点，即随着 现场设备的增加，系统布线十分复杂，成本大大提高，以及系统的抗干扰性较差， 灵活性不够、扩展不方便等为了从根本上解决这些问题，分布式控制系统应运 而生，如图1 3 所示 分布式控制系统就是将控制功能下放至慨场节点，不需要一个中央控制单元 来集中控制和操作，通过智能现场设备来完成控制和通信任务分布式控制系统 可以分为现场总线控制系统f c s ( f i e l dc o m r o ts y s t e m ) 和网络控制系统 n c s ( n e t w o r k e dc o n l r o ls y s 把m ) 现场总线是连接智能化现场设备和控制室自动化系统的数字式、全分布、双 向传输、多分支结构的通信网络 2 1 。f c s 的主要特点为将分布式智能现场设备、 现场设备与通信线路直接相连，一般采用总线型拓扑结构现场总线技术将各个 分散的测量、控制设备变成网络的节点，以现场总线为纽带，形成可以互相交流 信息、共同完成任务的网络系统和控制系统 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 图1 1 集中式控制系统示意图 图1 2 集散式控制系统示意图 图1 3 分布式控制系统示意匣 2 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 。n e t w o r k e dc o n ( r o ls y s t e m s ”最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g c w a l 矗 的论著中网，但未给出明确的定义，只是用图示说明了网络控制系统的结构，指 出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环同济大学的于之训h 垮用 了“网络控制系统”一词，而重庆大学的张结斌等用了术语“分布式网络控制系 统”。清华大学的顾洪军1 5 】给出了明确的定义：网络控制系统又称为网络化的控 制系统，即在网络环境下实现的控制系统，是指在某个区域内一些现场检测、控 制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不 同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作 从网络结构上来说，n c s 与f c s 并没有区别，都是总线网络，多个节点共 享信道，用来传输实时或非实时数据但是从定义上看，f c s 侧重的是节点之间 实时或非实时数据的传输和共享，而n c s 则强调在通信网络上建立闭环控制回 路。从这一点来看，n c s 中的网络是一个广义的范畴，包含了f c s 、工业以太 两、无线通信网络、甚至i n t e r n c t 1 2 网络控制系统概述 1 2 1 网络控制系统的基本问题 当控制器和对象分离后，必须考虑通信工具，而此时具有代表性的数字通信 网络就成为控制系统的一部分。随着日益增多的性能和数字通信的低成本，n c s 在工业和研究领域越来越引人注目n c s 具有可以实现资源共享、远程操作与 控御、较高的诊断能力、安装与维护简便、能增加系统的灵活性和可靠性等诸多 优点，而且应用广泛，从静态的过程控制到远程的车辆控制都可以使用n c s 。 例如，制造业系统可以利用n c s 来实现系统的可测性、模块化，减少系统的维 护成本等等 n c s 在通过共享网络资源给控制系统带来各种优点的同时，也给控制系统 带来了许多新的问题【l l 主要有下面几个基本问题： ( 1 网络诱导时延在网络环境下，多个节点共享通信线路且流量变化不规 贝i j l 因此当n c s 的传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时必然会导致阿 络诱导时延时延的存在会降低控制系统的性能，甚至弓l 起系统不稳定网络诱 导时延可能是固定的、有界的或随机的，这与所采用的网络协议和硬件设备。以 及网络的负载情况有关 ( 2 ) 数据丢包在网络中不可避免地存在网络阻塞和连接中断，从而导致数 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 据包的丢失。虽然大多数网络都具有重传机制，但它们只能在一个有限的时同内 传输，当超出时限后将发生丢包 ( 3 ) 网络调度在n c s 中，控制环的性能不仅依赖于控制算法，而且依赖于 对共享的网络资源的调度。利用有限的网络资源，实时传输较为重要的数据包； 在保证n c s 控制性能的基础上，尽可能地充分利用网络带宽资源等都属于网络 调度要解决的问题 ( 4 ) 单包传输和多包传输。单包传输是指传感器、控制器的数据集中在一个 数据包中传输，而多包传输是指传感器、控制器的数据被分成多个数据包进行传 输。进行多包传输的一个原因是受至b 不同网络数据包大小的限制，另外一个原因 是在n c s 中传感器和执行器常常分布在较大的物理空间，因此很难将数据集中 在一个数据包中 1 2 2 网络通信方式 网络介质访问控制协议( m a c ) 定义了节点访问网络介质时的冲突处理机 铹，m a c 定义的网络物理层访问方式一般可以归结为三种：静态时序访问( s t a t i c s c h e d u l i n ga c c e s s ) 、动态时序访阿( d y n a m i cs c h e d u l i n ga c c e s s ) 、随机访问( r a n d o m a c c e s s ) 在实际应用中，它们分别对应着不同的网络设备和通信协议例如； ( 1 ) c o n u o ln e t 使用的令牌环网总线m a c 协议是一种静态调度访问协议， 这是一种确定性的协议嘲在使用这种m a c 协议的n c s 系统中，每个控制环中 的网络时延都是确定的，因此可以采用定常时延系统的分析综合方法来研究。 ( 2 ) d e v i c en e t 是标准c a n 网络自争一个变种，与标准c a n 网络协议兼容， 它使用c s m a a m p 介质访阎方式网。c a n 网络是为短信息优化的一种确定性网 络，信息的优先级由判断区内的数据所指定。在竞争中总是高优先级的信息赢得 网络占用权因此c a n 网络中高优先级的信息的时延总是确定的，而低优先级 的信息具有不确定的传输时延在理论研究时，优先级高的控制环可以看作是时 延确定的控制系统来进行分析，优先级较低的控制环中的时延则是随机晦 ( 3 ) e t h 锄c i 是一种随机性网络，它使用c s m a c d 介质访阎机制来解决瞬 络资源的竞争问题一个需要传送信息盼节点首先对网络进行监听，如果网络 忙，那么它等待直到网络空闲，否则它立即开始传送信息在传送过程中，发送 消息的节点会保持监听有无网络碰撞的发生当检测到有碰撞发生后，正在传送 的节点就会停止传送并随机等待一段时间后重新开始传送随机等待的时闻是o 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 到( 2 一1 ) 中的一个随机数与一个s l o t 时间长度的积，其中矸表的是本节点检溅 到的第i 次碰撞事件，一个s l o t 时间指的是一定大小的数据报做一次来回传输 ( r o u n d - a - i p ) 所需的最短时阊；当第十次碰撞( i = 1 0 ) 发生后，时延的上限就固定 在2 伸一l = 1 0 2 3 各s l o t 时间上1 6 次碰撞后，节点就会停止再次发送信息的尝试 而向节点的控制器返回一个失败报告m a c 层协议定义的冲突处理机制决定了 当e t h c m e t 中碰撞发生后，数据包的等待时间是随机的，因此使用e t h e r n o t 通信 的n c s 中的网络时延是随机的 ( 4 ) 无线网络也是一种随机性网络【7 】，目前支持两种网络协议：i e e e 8 0 2 1l b g ( w l a n ) 和i e e e8 0 2 1 5 4 ( z i g , b e e ) 如图1 4 所示，物理层定义无线通信所采用的调制和编码解码方法，m a c 层定义各网络节点如何共享网络通道，网络层实现一些协议如t c p 或u d p 。顶 层是应用层，由控制器和对象的参数组成，如采样速率、控制律选择等。显然下 面两层是硬件规定，而上面两层由软件指定低层所具有的约束直接影响高层的 设计自由和控制性能 图1 4 无线网络的分层结构 高层信息 g 低层信息 1 2 3 无线网络的特点 通信网络可以分为两种：数据网络和控制网络数据网络与传输数据有关， 因此重点在保持传输速率的基础上保证精度。数据网络的数据包较大，传输突然， 且没有固定的方式控制网络的特征稳定，并以较小的数据包定时传送。然而， 现有鲍一些数据网络尽管在设计时没有弓i 入控制思想，但因为其具有高数据率裙 s 南京师范大学2 0 0 7 年硬士学位论文 低成本，因而在n c s 中应用较多 近几年出现的无线技术为数据网络在个人、商业和工业上的应用提供了更多 方便传统的数据网络，如原来使用有线以太网的l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 已 经被无线网络扩展和代替，即w l a n ( w m f l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 实际中无 线网络的便利性和适用性是无限盼，无线网络为控制系统提供了更多的灵活性， 减少了基础结构的成本，不需要布线且更加方便。 然而，有线网络中存在的网络性能问题在无线网络中更加严重。无线信号总 是与实际环境条件有关，如干扰、信号衰减和多径影响等，这些都会导致延迟和 丢包由于许多无线网络使用低级的设备配置，因此当信号强度弱而采用包重传 机制时，这种情形就会更加复杂化重传会产生一个调度过程，阻塞了信号在期 望的时刻执行因而，信号强度交弱时不仅会导致时延或信息丢失，还会在采样 周期中引入差异，从而影响采样过程，这种情况称为抖动 无线技术用于控制领域很有前景，但为了保证其可靠性必须解决若干基本问 题n c s 的研究范围主要包括两类：网络设计和控制设计为了改进整个系统 的性能，必须寻求在控制的基础上优化无线网络，或者基于现有的无线设备和网 络协议考虑优化控制算法 1 2 4 无线网络控制系统 根据网络传输媒介的不同，n c s 可以分为有线网络控制系统( w h n c t 、v 硎b d c o n t r o ls y s t e m s ，简称为w n c s ) 、无线网络控制系统( w i r e l e s sn c t w o r k o dc o n t r o l s y s t e m s ，简称为w 玳c s ) 和混合网络控制系统( h y b r i dn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s , 简称为h n c s ) w n c s 是基于有线信道的控制系统，由于有线网络技 术的发展相对已经成熟，其应用也比较广泛，因此近年来有关n c s 的研究大多 集中在有线嚼络控制系统，而无线阿络通常是作为有线网络的一种延伸 由于无线网络应用的方便性、组网和维护的便利性以及良好的可拓宽性等特 点，使无线网络自夸应用变得越来越广泛，从而出现了全部基于无线信道进行通信 的网络控制系统，即无线网络控制系统( w i n c s ) 在许多新构建的网络环境中， 无线网络已成为首选的网络形式，尤其是在应用对象为可以运动的或者对象所处 的环境难以用有线网络方式连接的场合，无线网络起着不可替代的作用。无线阿 络在控制系统中的适用性引起了国内外研究工作者的极大关注目前，无线网络 控制系统已经成为控制界的热f 1 话题。系统结构组成可以用图1 s 描述。 6 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 图1 5 无线网络控制系统示意图 由图1 5 可以看出，在一个无线网络控制系统中，被控对象、传感器、控制 器和执行器可以分布在不同的物理位置，它们之间的信息交换由一个公共无线网 络完成目前常用的无线网络环境有，i n ( w 沁l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、 w s n ( w h l e s s s e n s o r n e t w o r k ) 和w m n ( w i r e l e s s m e s h n e t w o r k ) 等 采用无线网络进行通信可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维 护成本，还可以满足一些特殊场合的需求，并且可以大大增强系统组成的灵活性 等等。但是由于无线网络自身存在的局限性，因此在研究无线网络控制系统时需 要考虑如下基本问题： ( 1 ) 随机时延及丢包由于无线网络传输形式是多跳的( m u l t i - h o p i n g ) ，与有 线网络相比，无线网络中更容易发生数据包碰撞的现象，导致传播时延及丢包具 有较大的随机性，使得在无线网络系统中数据的丢包率较高 ( 2 ) 动态链路特性。这是无线网络最重要的特性之一由于网络节点的可移 动性，医此网络拓扑结构是动态自加之丢包率又较高，使得通信出现间断性的 连接，有时候甚至会导致长时间的通信中断 ( 3 ) 时变的信道增益和干扰无线信道随时间和空间是变化的，因此存在时 变信道增益；在大气环境中发送和接收无线信号，其传输极易受到干扰及噪声的 影响各节点之闻还存在着干涉影晦。 ( 4 ) 网络带宽有限。目前电缆或光缆通信还不能被无线通信彻底取代，其最 主要的考虑就是带宽问题相比于有线网络，无线网络的带宽要小得多。另外， 由于环境的影响或无线网络自身状态的变化，无线信道的通信能力也会随着时阊 发生变化 7 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 ( 5 ) 功率控带i 在某些网络中，如码分多址( c d m a ) 蜂窝移动通信系统，理 想的功率控制策略能够克服远近效应问题，消除干扰，提高信道的空间复用度， 最终提高系统的容量。在一般无线网络中，功率控制技术是在不牺牲系统性能的 前提下，尽可能地降低节点的发射功率，从而降低节点的能耗，提高网络的生存 时间和系统的能量效率 在控制系统中引入通信网络后，网络的性能和约束与控制器的性能和约束交 得同样重要。对系统进行分析和控制时，必须考虑时延、丢包和干扰等基本问题。 因此n c s 的性能特征主要取决于所采用的网络媒介，不管是有线网络还是无线 网络，都具有时延和丢包的特性，从而影响了整个系统的控制性能。 1 3w i n c s 研究现状 在2 0 世纪8 0 年代后期，yh a l e d 和九r a y 等就开始了对网络控制系统进行 分析和控制器设计方法的研列s 9 m 进入2 0 世纪9 0 年代，n c s 的研究已经成 为控制理论界的热点之一，并取得了大量的研究成果。近年来，由于无线网络应 用的方便性、组网和维护的便利性、良好的可拓展性以及成本低廉等优点， w i n c s 的研究也越来越受到研究者们的关注 目前，在无线网络控制系统的分析和设计过程中，主要从下面几个方面去考 虑和研究 ( 1 ) 从控制的角度来说，研究的重点在于如何设计出较好的控制器，即如何 充分考虑通信信道的特性，从而改进现有的控制体系，使其对包含随机时延、丢 包以及干扰在内的通信错误具有鲁棒性。当前关于如何在无线网络控制系统中设 计这种控制器的理论还很少。 m c d r e w f t , 埘无线网络控制系统进行了分析和研究，在传感器、控常4 器 和执行器之间通过无线局域网( 8 0 2 1 i b ) 进行信息交换基于网络环境，提出一 种最优l q o 控制器，并通过实验比较传统l q o 控秘器和最优l q g 控制器的性 能，得出在考虑时延私丢包的情况下，最优l q g 控制优于传统l q g 控制。 ( 2 ) 从通信的角度来说，研究的内容主要集中于如何克服无线网络自身的局 限性，减小时延和丢包对控伟4 性能的影响即如何设计网络调度机制和协议，从 而提供可靠的通信信道，使得控制器的工作状态最优 l i u 幢l 等人在研究时首先只考虑从传感器到控制器之间的信息通过无线网络 交换的控制系统。假设在控制器与执行器之间通过有线网络来传送命令，且不考 0 南京师范大学2 7 年硕士学位论文 虑两者的通信问题，针对传感器与控制器之问的无线网络，研究数据率、时延和 丢包三者对控制性能的联合影响，并确定这些通信参数的最优选择。然后在文献 【1 3 】中又扩展了上述结构，从控制器到执行器之间也采用无线链路，使得所有的 信息交换都通过无线网络来实现 l i u 和g o l 蛐a 结合上述内容，进一步将无线链路结构推广到多个控制系 统共享无线网络的情况【l 哪不同的传感器放在不同的位置，其测量数据通过不 同的无线链路传输到控制器多个闭环控制系统并存且共享信道，可能会导致回 时传输针对这种情况，文中主要研究了如何设计无线通信网络，选择合适的 m a c ，使得由于通信缺陷而引起的系统性能退化最小 k u m a rs 和r a g h a v 觚vs 等人针对用于无线网络的m a c 协议进行了详细的 分析和综述【吼l m gq 和l e m m o nm 等人针对数据丢包问题进行了研究，采用 估计量和预估器对丢包进行补偿的方法【嘲c - e o 咖d 和t i l b u r yd 等人考虑在 每次传输过程中，打包更多的控制信息，从而充分利用网络有限的带宽【1 1 ( 3 ) 控制和通信的联合设计也引起了越来越多的关注在分布式的控制系统 中，网络设计的目的就是要能够优化控制性能。也就是说，在通信和控制器性能 之间有一个平衡点从控制角度看，控制器了解系统的信息越多，控制的性能就 越好。这个要求可以通过增加传感器的数日或者增加发送传感器测量信息的频率 ( 即采样周期越来越小) 来达劭。然而，这样又会增加网络中的通信负担，甚至可 能导致网络阻塞。网络阻塞会导致更大的时延和更多的丢包，结果反而降低了控 制性能医此，联合设计控制和通信时，需要考虑两个方面：控制器的设计应当 具有鲁棒性，并能适应通信失误，如随机时延和丢包等，而网络的设计应当能够 满足控审4 性能的目标要求 l i u 和g o l d s m i t h 在文献【1 8 】中提出了一种无线网络跨层设计方案，即联合设 计控制和通信跨层设计的主要思想是：要在无线网络中实现最优的性能，就要 用综合的方法来适应网络的动态性，每层应对本层的交化和其他层反馈的信息做 出合理反应l 研所有层问可以交互信息，使协议栈能以全局方式适应q o s 和f i 络状况的变化，并根据系统的约束条件和网络特征来进行综合优化，实现对鼹络 资源的有效分配，提高网络的综合性能 但是文献 1 8 需要假设信道功率无变化，而且选配的协议不具有自适应性， 当网络拓扑结构发生变化时，该方案的效果可能会变差 由于无线网络控制系统的复杂化，在分析和设计的过程中，联合仿真也是研 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 究的内容之一鲫m a r t i na n d e r s s o e t 等人提出一种基于m a t l a b 的实时仿真环 境口仆，利用t m e t n n e 工具箱中的仿真模块，使得计算机节点、通信网络与实际 的连续时间对象之间的交互仿真更加简单方便。 1 4 本文的主要工作 网络控制系统是自动化领域一个崭新的研究方向，其理论还很不完善，值得 研究的方向很多j 尤其是无线网络控制系统，随着无线网络技术的出现刚刚起步， 给控制界带来了新的机遇和挑战。针对这种情况，本文主要在基于无线网络环境 的控制器设计以及无线网络控制系统的仿真方面进行了研究，论文中各章节内容 安摔如下： 第一章简要介绍了网络控制系统的发展情况，网络控制系统中存在的基本问 题，无线网络控制系统的特性，并综述了近年来的研究现状 第二章重要论述了基于网络时延的自适应f u z z y - p i d 控制器的设计，详细介 绍了f u z z y - p i d 控制的基本思想和设计方法，并通过数值实验比较了f u z z y - p i d 控制器和传统p i d 控制器的控制效果 第三章针对无线网络控制系统中的干扰问题，从控制角度考虑，提出了基于 干扰观测器的f u z z y - p i d 控制方案，通过数值仿真验证了该方案的有效性。 第四章对无线网络控制系统的仿真技术进行了研究，基于网络控制仿真软件 t r u e t n n e 以及m a t l a b s i m u l i n k 环境，设计了一个无线网络控制系统仿真模型， 并在此基础上对f u z z y - p i d 控制策略进行了仿真实验，提出了一种w i n c s 控制 器参数离线优化的方法，通过调整f u z z y - p d 控制器的转换参数来改善控制器在 不同网络状况下的控制性能 第五章总结了本文的工作，并对迸一步需要解决的闯题进行了展望 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 第2 章基于网络时延的f u z z y p i d 控制 2 1 引言 近年来，网络控制系统已经成为控制领域的研究热点在n c s 的控制器设 计方面，l u c kr 和r a ya 最早使用时滞系统的补偿方法来研究n c s 姗；n i l s s o n j 采用随机最优控制理论来设计n c s 控制器 2 r t ；z l d v o g l y a d o vpv 等针对网络负 载情况，在开环和闭环之间进行切换的控制器嘲；y o d y i u m i i p s u w a n 和m o - y u e n c h o w 将基于q o s 的模糊自适应思想引入了n c s ，致力于自适应n c s 控制器设 计的研究工作，并取得了大量的研究成果 u a 5 , 2 6 1 ：a l m u t a i r i 等深入研究了在n c s 中使用模糊自适应算法调整p i 控制器参数的问题p 7 ，2 s ；彭晨和岳东针对模型精 确的网络控制对象，将模糊控制器做为s m i t h 控制的内模控制器e 2 9 1 。 目前对于n c s 中模糊控制的研究主要集中在将模糊逻辑应用于传统控制方 法的参数调整和自适应方面，但对于在n c s 中直接使用模糊控制器进行控制的 研究相对较少本章结合模糊控制器和传统的p i d 控制器，提出了一种用于n c s 的f u z z y - p i d 控制器设计方法 2 2f u z z y - p i d 控制系统的设计 p i d 控制具有结构简单、稳定性能好、可靠性高等优点，尤其适用于可建立 精确数学模型的确定性控制系统。在控制理论和技术飞速发展的今天，工业过程 控制领域仍有近9 0 的控制回路应用p i d 控制策略。但是在实际的应用中，尤 其是在控制系统中引入网络之后，被控过程更加复杂，具有时变不确定性和滞后 等特点在噪声、干扰等因素的影响下，过程参数甚至模型结构都会随着时问平睁 环境的变化而交化，传统的p i d 算法难以满足控制要求 在模糊控制系统中，由于模糊控制器实现的简易性和快速性，往往采用二维 模糊控制器的形式这类控制器是以系统偏差和偏差变化率作为输入变量自吼医 此具有类似比侈唾一微分控制器的作用。可以获得良好的动态特性，但其稳定性不 能达到满意效果因此，将p i d 控制策略引入模糊控制器，构成f u z z y - p i d 复合 控制，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。 2 2 1 模糊控制的基本原理 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 能控制 3 0 3 1 弼，其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授l z a d e h 首先提 出的经过二十多年的发展，模糊控制被广泛应用于工业控制领域，并取得了良 好的控制效果 模糊控制的基础是模糊逻辑，它模仿人的思维过程和语言表达方式，经过模 糊逻辑推理和运算得出控制和决策，因而对控制对象的非线性特性、参数的变化 以及外部扰动的影响不敏感，具有很强的鲁棒性。对常规控制系统难以解决的时 变不确定系统的控制，模糊控制是有效的方法 模糊控制器f c ( f u 2 ：z yc o n t r 0 1 ) 也称为模糊逻辑控制器f l c ( f u z z yl o g i c c o n t r o d ，其基本结构如图2 1 所示，通常由以下几个部分组成：( 1 ) 输入输出量 的规范化；( 2 ) 输入量的模糊化；( 3 ) 知识库；( 4 ) 推理机；( 5 ) 输出量的清晰化。 囹2 1 模糊控制器的基本结构 输入输出量规范化的作用是将控制器的输入输出量限制在规定的范围内，以 便于控制器的设计和实现。模糊化过程就是将输入的精确量转化为模糊量。知识 库和推理机是控制器的核心，知识库通常由数据库和模糊控制规则库两部分组 成，根据模糊输入量和知识库，推理机决定输出量的一个分布函数清晰化过程 就是将输出量的分布函数转换为精确量，最后通过规范化得到实际的输出量( 即 控制信号 2 2 2 模糊控制器设计步骤 ( 1 ) 定义模糊集及论域 单变量二维模糊控制器是最常见的结构形式，其设计思想是设计其它模糊控 制器的基础。对误差e 、误差变化e c 及控制量u 的模糊集及其论域定义如下： e 的模糊集为 n b ，n m ，n s ，n o ，p o ，p s ，p m ，p b ，即 负大，负中 负小，零负，零正，正小。正中，正大 e c 和u 的模糊集均为 n b ，n m ，n s 。z o ，p s ，p m ，p b 。即 负大，负 1 2 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 中，负小，零，正小，正中，正大 e 和e c 的论域均为 石，6 ) ，u 的论域为 - 7 。7 ( 2 ) 确定模糊变量的隶属函数 模糊变量误差量e 、误差变化量e c 及控制量u 的模糊集和论域确定后必 须对模糊语言变量确定隶属函数，即对模糊变量赋值，就是确定论域内元素对模 糊语言变量的隶属度 e 、e c 和u 的隶属函数分别用三角形表示，如图2 2 、图2 3 和图2 4 所示。 圉2 2 变量e 的隶属函数 图2 3 变量e c 的隶属函致 图2 4 变量u 的隶属函数 南京师范大学2 0 0 7 年硬士学位论文 ( 3 ) 建立模糊控制规贝l j 控制规贝i j 是对专家的理论知识与实践经验的总结。根据人的思维推理，模糊 控制规受i j 通过系统输出的误差及误差韵变化趋势来消除系统误差。对于不同的被 控对象，e 、e c 、u 具有不同的意义 如表2 1 所示，由于模糊集定义中e 有8 个模糊语言变量，e c 有7 个模糊 语言变量，因此可以建立5 6 条控制规财为方便起见，一般按模糊控雠规贝1 j 表 中从左到右，从上到下的顺序输入模糊规受l j 例如，第一条控制规贝1 j 可表示为： 近e i s n ba n d e c i s n b t h e n u i s p b 表2 - 1 模糊控制规煲i j 表 根据上面的模糊变量及控制规贝i j ，可以得到模糊控制器的输出曲面如图2 s 所示 r ：c t 图2 5 模糊推理输出曲箍 1 4 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 2 2 3f u z z y - p i d 控制系统的结构 f u z z y - p i d 控制器结合模糊控制器和传统的p i d 控制器，通过调整系统的控 制量来实现稳定控制。其特点是在大偏差范围内，利用模糊推理的方法调整系统 的控制量u ，而在小偏差范围内转换成p i d 控制，两者的转换根据事先给定的偏 差范围自动实现。其控制系统结构如图2 6 所示 图2 6f u z a y - p l d 控制系统结构图 f u z z y - p i d 控制思想很好地发挥了两种控制策略的优点，即利用模糊控制保 证系统的良好动态响应，秘用p i d 控制消除系统的静态误差，从而使控制系统 达至b 优良的品质 2 3 基于网络时延的自适应f u z z y - p i d 控制 在n c s 中，由于网络的介入，控制系统中的信息是通过网络进行传输的， 由于网络服务质量( q o s ) 的好坏，不可避免地带来信息传输的延迟、丢失及其它 干扰，从而影响n c s 的控制品质因此，本章结合传统p i d 控制器和模糊控制 器的优点，提出了一种基于网络时延的自适应f u z z y - p i d 控制策略，通过调整 f u z z y - p i d 控制器的转换参数来改善厨络控制系统的性能。 下面通过数值仿真实验来说明鼹络时延对系统性能及稳定性的影响，在不恩 时延取值情况下对常规p i d 控制器和f u z z y - p i d 控制器进行了性能比较 2 3 1p i d 与f u z z y p i d 控制器的比较 p i d 控制是最常用的过程控制算法，其理想算式为 “，卜砉i 附冲+ 瓦刳 伍， 印) = r ( t ) - y ( t ) 1 5 南京师范大学2 0 0 7 年颈士学位论文 式中，e ( o 为偏差，( f ) 为参考输入，y o ) 为系统输出，u ( 0 为控制量，k ，正，死 分别表示比例系数，积分时间常数和微分时间常数 考虑如下所示的二阶系统为被控对象 g 。) = 而1 ( 2 2 ) 利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具建* 立p i d 仿真控制系统，如图2 7 所示 p e l m y l 图2 7p i d 控制系统仿真图 通过适当选择控制参数，常规p i d 控制器可以在定程度上取得比较满意 的响应特性。但是当考虑网络特性，在系统中引入了时延后，控制效果明显变差 如图2 8 所示，针对不同的时延f 取值，当r 越大时，控制系统的性能降低，即 超调量变大，调节时间变长 图2 1 1 不同时延情况下盼p i d 控制系统性能曲线 f u z z y - p i d 控甫4 算法的基本思路是在误差较大时采用模糊控制，以加快略应 速度；在误差较小时采用常规p i d 控制，以消除静态误差，提高控制精度。 基于m a t l a b s i m u l i n k 环境及f u z z y 工具箱，分别设计p i d 控锚器和模榜 控制器，采用f u z z y - p i d 控制策略，以式( 2 2 ) 描述的二阶系统为被控对象，建 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文 立f u z z y - p i d 仿真控制系统，如图2 9 所示 d i 一 图2 9 f u z z y - p i d 控制系统仿真图 在该f u z z y - p i d 控制系统中，模糊控制和p i d 控制转换的参数值设定为 = 0 6 ，即系统的偏差大于这个值时采用模糊控制算法，否则就采用常规p i d 控制。仿真实验时，采用与p i d 控铝4 相同的时延f 取值情况，得到系统的响应曲 线图。 图2 1 0 不同时延情况下的f u z 巧- p i d 控制系统性能曲线 如图2 1 0 所示，f u z z y - p i d 控制结合了常规p d 控制和模糊控制各自的优点， 能有效抑制时延的影响，取得良好的控制效果。尽管随着时延的增加，f u z z y - p i d 控制系统的性能也有所降低，但是通过比较匿2 8 和图2 1 0 中的性能曲线可以发 现。显然f u z z y - p i d 控审i 器对于时延的鲁棒性优于p i d 控制器。 1 7 南京师范大学2 0 0 7 年硕士学位论文