（控制理论与控制工程专业论文）基于预测控制的远程网络控制系统的研究与实现.pdf

，、；：一q。脚 翟 。； ；、趔，：，、r at h e s i ss u b m i t t e df o rt h em a s t e rd e g r e eo f e n g i n e e r i n g a tt i a n ji np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n to ft h en e t w o r k ba s e dr e m o t ec o n t r o ls y s t e m b y w a n g l e i a d v i s e r ：s h i w u x i p r o f e s s o r m a j o r ：c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y , s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n d e c ，2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼王些太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者魏渤签字嗍捌湃乡月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权云洼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：芦【9 年弓月￥日 翩繇、杉 签字日期：州。年弓月午日 学位论文主要创新点 一、设计了一套运行在真实的网络环境下的实验平台，弥补了传统的仿真系统无 法代表实际的网络运行状态的不足，为今后的控制算法的研究提供了真实可靠的 硬件平台。 二、提出一种基于广义预测控制的补偿算法，实验表明，该算法对于含有非线性 输入特性的网络控制系统的诱导时延具有较好的补偿效果。 摘要 网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 以通信网络作为控制器、 执行器、以及传感器之间的通讯媒质，是网络通信和自动控制相结合的产物。 n c s 中的通信网络引入了不确定网络诱导时延，这使得传统的控制理论方法难 以直接应用于n c s 。本文围绕网络诱导时延这一n c s 的核心问题，进行了以下 几方面的研究工作： ( 1 ) 针对常用的n c s 仿真系统不能代表真实的网络环境的缺点，设计开发 了以现实的e t h e m e t 为通信媒质的n c s 实验平台。首先设计一块带有以太网通 信功能的嵌入式控制板，加载了u b o o t 引导程序后，建立合适的根文件系统， 然后移植嵌入式操作系统一l i n u x ，并在p c 机上基于v c h 6 0 设计相应的控制 器软件，二者通过e t h e m e t 连接。其次，基于面向无连接的网络通汛协议u d p ， 在嵌入式控制板和p c 机软件平台上编写网络通信程序，让二者建立通信连接， 便于进一步的控制算法的研究。 ( 2 ) 对具有死区输入特性的一类h a m m e r s t e i n 系统提出了网络预测控制方 法。此方法借鉴广义预测控制的思想，首先对h a m m e r s t e i n 模型的线性部分，求 得中间变量的预测值，并通过对死区求逆得到控制信号的预测值。然后在被控对 象的缓冲区中选取最靠近当前时刻的控制输入预测值作为当前的控制输入，以用 来补偿网络诱导时延。最后通过实验平台验证了所提方案的有效性。 关键词：网络控制系统；网络时延；稳定性；广义预测控制 a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e mi s a n i n t e g r a t i o no fn e t w o r k i n gc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dc y b e m e t i ct h e o r e t i c a nn c sc o n n e c t st h ec o n t r o l l e r s ，t h es e n s o r sa n d a c t u a t o r st h r o u g ho n es h a r e dn e t w o r k i n gt of o r mf e e d b a c kc o n t r o ll o o p s t h u si ti s h a r dt oa p p l yt r a d i t i o n a la n a l y t i c a lm e t h o d o l o g yt oa nn c s s oi t sb o t hr e w a r d i n g a c a d e m i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yt os t u d yt h ep h i l o s o p h yb e h i n dn c s t h i st h e s i sd o e s s o m er e s e a r c hi nt h ef o l l o w i n gf a c t sa r o u n dt h en e t w o r k i n g i n d u c e dd e l a yi nn c s a tt h e b e g i n n i n g ，c o m p a r e dt o t h e s h o r t c o m i n go ft h e n o r m a ls i m u l a t i o n p l a t f o r m ，a ne x p e r i m e n tp l a t f o r mb a s e do nt h ee t h e m e tw a sb u i l tf o rf u r t h e rs t u d y a t t h eb e g i n n i n g ，a ne m b e d d e dc o n t r o lp a n e lw i t he t h e m e tc o m m u n i c a t i o ni sd e s i g n e d t h e nt h eb o o tp r o g r a mi sl o a d e d ，a f t e rt h a t ，t h er o o tf i l es y s t e mi se s t a b l i s h e d a tl a s t ， a no p e r a t i n gs y s t e mi st r a n s p l a n t e d a tt h es a m et i m e ，b a s e do nv i s u a lc + + ，ac o n t r o l s o f t w a r ei sd e s i g n e di nt h ep e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h et w oa b o v ea r ec o n n e c t e d t h r o u g hi n t e m e t b a s e do nc o n n e c t i o n l e s s - o r i e n t e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， ac o m m u n i c a t i o np r o g r a mi sp r e p a r e db e t w e e nt h ee m b e d d e dp a n e la n dt h ep e r s o n a l c o m p u t e r , s oi ti sc o n v e n i e n tf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho fc o n t r o la l g o r i t h m a tl a s t ，an e t w o r kp r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o dw a sp r o p o s e df o rah a m m e r s t e i n t y p es y s t e mw i t hd e a d z o n ei n p u t b a s e do nt h eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) ， c a l c u l a t i n gt h ep r e d i c t i v ev a l u eo ft h ei n t e r m e d i a t ev a r i a b l ef o rt h el i n e a rp a r to ft h e s y s t e m t h e n ，b yc a l c u l a t i n gt h ei n v e r s eo f t h ed e a d - z o n e ，t h ep r e d i c t i v ev a l u e so ft h e c o n t r o ls i g n a l sa r eo b t a i n e d i nt h eb u f f e ro ft h ep l a n t ，t h e r ei sav a l u ew h o s et i m e s t a m pi sc l o s e s tt oc u r r e n t ，a n di ti sc h o s e na st h er e a lc o n t r o li n p u t f i n a l l yt h e e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mv e r i f i e dt h ev a l i d i t yo ft h ep r o p o s e ds c h e m e k e y w o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ；n e t w o r k - i n d u c e dd e l a y ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ； g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l 目录 第一章绪论1 1 1网络化控制系统的产生与发展1 1 2网络化控制系统的特点3 1 3网络化控制系统中存在的基本问题3 1 3 1网络诱导时延4 1 3 2 节点的驱动方式6 1 3 3 节点时钟同步方式7 1 3 4 单包传输和多包传输7 1 3 5 数据包时序错乱与数据包丢失7 1 3 6 通信媒体的类型及通信协议8 1 3 7 数据滤除和空采样8 1 4 网络化控制系统的理论研究现状8 1 4 1队列分析方法一9 1 4 2 鲁棒控制方法9 1 4 3 预测控制方法9 1 4 4 模糊控制方法10 1 5 本文内容的安排1 0 1 6 本章小结1 1 第二章n c s 实验平台的设计与开发1 3 2 1 引。言13 2 2 仿真系统的设计与实现1 4 2 3 基于e t h e m e t 的实验平台的设计1 5 2 3 1 弓i 言15 2 3 2实验平台的功能与结构1 6 2 4 实验平台客户端的设计与实现1 7 2 4 1 t c p 与u d p 17 2 4 2套接字18 2 4 3 设计流程19 2 5 实验平台服务端的设计与实现1 9 2 5 1服务端的硬件设计2 1 2 5 2服务端软件系统的设计及分析2 2 2 6 本章小结2 3 第三章服务端的硬件设计2 5 3 1 c p u 2 5 3 2 存储模块2 6 3 2 1s d r a m 2 6 3 ：! 2n a n df l a s h 2 7 3 3 电源模块2 8 3 4以太网接口电路2 9 3 5 本章小结3 0 第四章服务端的软件设计3 1 4 1 引言3 1 4 2 启动程序分析3l 4 2 1开源启动程序介绍3 l 4 2 2启动程序功能分析3 2 4 2 3u b o o t 移植与调试3 3 4 2 4 u b o o t 启动流程分析3 3 4 2 5u b o o t 移植与调试3 6 4 2 6u b o o t 主要修改文件3 9 4 3 嵌入式l i n u x 内核移植4 0 4 3 1 引言4 0 4 3 2内核解压4 2 4 3 3内核初始化4 2 4 3 4 s t a r t k e m e l 分析4 3 4 3 5 外设初始化4 4 4 3 6 嵌入式l i n u x 内核移植的实现4 4 4 4 本章小结4 5 第五章基于广义预测的n c s 控制器的设计4 7 5 1引言4 7 5 2 广义预测控制的基本方法4 7 5 3 含有死区输入的h a m m e r s t e i n 系统预测控制5 0 5 3 1 引言5 0 5 3 2 被控对象和控制律推导51 5 3 3 含有死区输入的h a m m e r s t e i n 系统的被控对象和控制律推导5 2 5 4 实验结果分析5 5 5 4 1 数值仿真实例分析5 5 5 5 本章小结5 9 第六章总结与展望6 1 6 1 研究工作总结6 1 6 2 进一步的研究展望6 1 参考文献6 3 已发表论文和参加科研情况说明6 7 附录6 9 致谢8 3 第一章绪论 第一章绪论 网络化控制系统是上个世纪提出的，将工业生产的各种设备通过网络连接起 来，相互可以交换数据。这一方法随着计算机以及通讯相关技术的发展，已经取 得了令人瞩目的成果。相对于传统的控制方法，控制系统的灵活性，高效性，可 靠性等都有很大提高，因此是目前控制理论发展的主流方向之一。 1 1网络化控制系统的产生与发展 在传统的计算机控制系统中，传感器和执行器都是与计算机实现点对点的连 接，传递信号一般采用电压和电流等模拟信号。在这种结构模式下，控制系统往 天津工业大学硕十学位论文 在控制系统中使用网络并不是一个新的想法，它可以追溯到2 0 世纪7 0 年代 末期集散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 的诞生。在d c s 出现之前， 早期的计算机控制系统是直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) ，在这种控 制结构中，所有传感器和执行器都与同一台计算机点对点的连接。由于当时计算 机昂贵，系统一般采用集中式的体系结构，整个生产过程和控制策略都由同一台 计算机完成，即使是计算机一个单一的故障也会使整个系统及其所有回路失效。 伴随着计算机成本的下降和网络技术的发展，( 计算机) 控制网络被首次引入到 了控制系统，导致了d c s 的产生。d c s 将控制任务分散到若干小型的计算机控 制器( 也叫做现场控制器) 中，每个控制器采用d d c 控制结构处理部分控制回路， 而在控制器与控制器、控制器与上位机( 操作员或工程师站) 之间建立了计算机 控制网络。这种控制结构使得操作员在上位机中能够对被控系统的实时运行状态 进行监控，某个控制回路的控制策略的设计也可以在上位机中组态完成，通过控 制网络下载到对应的控制器中实时运行。d c s 大大提高了控制系统的可靠性， 并实现了集中管理和分散控制。 尽管在d c s 中已经引入了控制网络，但由于当时传感器和执行器只能发送 和接收模拟量信号，所以在传感器与控制器、控制器与执行器之间仍然采用点对 点连接的d d c 控制结构。采用模拟量信号进行信息传输，只是在控制器的输入、 输出端进行信号的模拟量数字量( a d ) 和数字量模拟量( d a ) 转换。随着处理 器体积的减小和价格的降低，带有微处理器的智能传感器和智能执行器出现了， 这为控制网络在控制系统中更深层次的应用提供了必要的物质基础。 近十年来，以太网( e t h e m e t ) 技术的发展和广泛应用，已经使其从办公自 动化走向工业自动化，从商用以太网发展到工业以太网，工业以太网也j 下在成为 工业控制网络的主流技术。由于以太网具备开放性、价格低廉、软硬件资源丰富、 通信速率高等特点，不但已经基本垄断了商业领域的网络通信市场，而且在工业 控制领域也得到了大规模的应用。一些机构也开发出适合工业环境的以太网器 件，在d c s 的过程管理层中大量使用，并且有向下延伸直接应用于现场设备间 通信的趋势。现在多个现场总线行业性组织都在进行将以太网用作工业网络的研 究并推出了相应的解决方案，这些研究不仅仅是将以太网用作高层网络，而且希 望将它直接和现场设备连接，实现所谓的“e 网到底”。这种用于现场设备层的 以太网也叫做实时以太网( 工业以太网的一种，能够满足底层控制的实时性要 求) 。 由于计算机控制系统在不同层次间传送的信息己经变得越来越复杂，对工业 网络的开放性、互联性、带宽等方面提出了更高的要求。从计算机控制系统的发 展历程来看，为了满足现代大型工业生产自动化和过程控制要求复杂化的需求， 第一章绪论 提供更安全、更可靠、性能更高、集成性更高、数据传输速率更高、成本更低的 控制系统成为未来控制科学面临的重大问题，而网络控制系统的提出和发展己经 给出了这个问题的初步答案，如何将自动控制、计算机和信息技术三者更紧密的 结合，这也成为计算机控制科学一个重要的发展方向心1 。 1 2网络化控制系统的特点 通过上节对n c s 产生和发展的历史回顾不难发现，n c s 是控制技术、计算 机( 软件和硬件) 技术和网络通信技术等共同发展的结晶。受到当时这些技术的 限制，不同时期的n c s 具有不同的控制结构和表现形式，伴随着这些相关技术 的不断突破和世界信息化浪潮，n c s 也在不断向前发展，不断地进行技术革新。 然而，由于n c s 具有多种结构形式而且仍然在不断发展，因此若想给n c s 一个 具体的定义是很困难的，尽管如此，还是能够从各种n c s 的结构形式中提取到 它们以下的共同点，从而展现n c s 的基本面貌。 ( 1 ) 控制系统的网络化； 。 ( 2 ) 信息传输的数字化； ( 3 ) 控制结构的层次化； ( 4 ) 底层控制的分散化与信息管理的集中化； ( 5 ) 硬件和软件的模块化； ( 6 ) 控制系统的智能化；二， ( 7 ) 通信协议的渐近标准化。 1 3 网络化控制系统中存在的基本问题 网络控制系统中，传感器、控制器、执行器等都通过共用的通讯介质( 如总 线) 相连，各部分之间可以实现点对点的对等通信。由于控制网络属于一种彻底 的分布式控制系统，因此具有系统联机少、可靠性高、易于扩展以及信息资源共 享等特点。网络控制系统的特点是信息( 参考输入、对象输出和控制输入等) 在 控制系统各部件问( 传感器、控制器、执行器) 通过网络进行交换。 网络控制系统具有许多优点的同时，由于在控制系统中引入网络，n c s 就 具有网络的特征，这使得网络控制系统的分析和设计变得复杂起来。网络控制系 统的复杂性是由网络自身的特点所决定的：( 1 ) 网络环境下多用户共享通信线路 且流量变化不规则；( 2 ) 信息传输时多用户共享众多计算机和通信设备，且路径 不唯一；( 3 ) 数据在传输中会发生网络阻塞、连接中断等。所有这些因素在网络 天津工业人学硕十学位论文 控制系统的数据包传输时会产生网络诱导时延、时序错乱及数据包丢失等问题。 这些问题为网络控制系统的研究提出了严峻的挑战。 1 3 1网络诱导时延 在n c s 中，多个网络节点共享网络信道。由于网络带宽有限并且网络中的 数据流量变化不规则，当多个节点通过网络交换数据时，常常出现数据碰撞、多 路径传输、连接中断、网络拥塞等现象。因而不可避免地出现信息交换时间延迟， 这种由网络引起的时延称为网络诱导时延。网络诱导时延是随机的、恒定的、有 界的、还是不确定的，取决于通信网络的类型和采用的通信协议。在设计网络控 制系统时若不考虑这种时延，将降低控制系统的性能，严重时还会引起系统的不 稳定。 网络诱导时延( d e l a y ) 是衡量通信网络服务质量的一个重要性能指标之一， 它表示网络中两个节点间传输一位数据所需要的时间，用秒或几分之一秒表示。 节点在网络中的位置不同，时延将有所不同。在工程上，通常是指最大时延或平 均时延。在网络通信中，网络诱导时延分为传播时延、交换时延、存取时延和队 列时延等。 传播时延指信号通过传输线传输时需要的时间。传播时延与传播距离成正 比。例如，在一栋大楼中的局域网络，其时延约为l m s ，尽管l m s 的时延似乎可 以忽略不计，但高速计算机在i m s 内可以完成上万条指令，而利用地球同步卫 星在洲际间传输数据，即使按光速传输，从地球到卫星，再从卫星到地球，传输 一位数据也需要约l o o m s 的时间。 交换时延指信息通过网络中的集线器、网桥、交换机等电子设备所需要的时 间。这些电子设备在完成转发数据包之前，必须要等数据包的所有数据到达才能 进行，因而产生交换时延。 存取时延指在使用共享通信介质的网络中，节点计算机只有在通信介质空闲 时才能进行数据的发送和接收，因而产生存取时延。例如，以太网使用c s m a c d 协议进行通信，网络空闲才可以访问网络，令牌传递网络需要等待令牌到来，才 可以访问网络。 队列时延指在包交换的广域网中，存取转发时，每个交换机将传来的数据包 排成队列，如果队列中有包，则新来的包要等待，直到交换机发送完先到的包。 这种排队等候的时间称为队列时延。 在n c s 中，网络诱导时延主要由以下的因素构成： ( 1 ) 数据包排队等待时延，当网络忙或发生节点数据包碰撞时，节点等待网 络空闲再发送所用的时间。 第一章绪论 ( 2 ) 信息产生时延，发送端待发送信息封装成数据包并进入排队队列所需时 间。 ( 3 ) 传输时延，数据包在实际传输媒体上传输所需时间，其大小取决于数 据包的大小、网络带宽和传输距离。 以上三种时延构成了网络诱导时延的主要部分，当传感器、控制器和执行 器之间通过网络传递信息时，在经过路由器时还有排队等待时延，以及不同的 网络间传输时延等。另外，有些网络协议发生数据包丢失或出错时允许重发数 据包，这又增加了数据传输时延。 n c s 中的信息传输时延主要有两类：一类是上述的网络诱导时延：另一类 是系统节点设备计算处理时延，如传感器和执行器完成自身功能所用的时间。 由于目前节点设备大多采用智能设备，节点设备的计算处理时延相对采样周期 很小可以忽略不计。因此，n c s 的信号传输时序可以用图1 2 表示。 控 图1 2n c s 中信号传输定时图 在图1 2 中，y ( k t ) 表示第k 周期传感器测量输出，u ( k t ) 表示第k 周期控 制器输出的控制信号，z 羔表示第k 周期远地系统中待发送的传感器测量值封装 天津工业大学硕十学位论文 成数据包时刻，f 三表示第k 周期控制器计算来源于传感器的数据包开始时刻，f 。k 表示第k 周期控制器的计算时间，f 三表示第k 周期控制器将处理后的待发送控 制信号封装成数据包时刻，f ! 表示第k 周期远地执行器开始执行控制信号时刻。 f 三表示第k 周期传感器到控制器时延，艺表示第k 周期控制器到执行器时延。 因此有= 乞k 一毪，吃k = f ：一f 三。整个网络的诱导时延定义为从传感器测量值封 装成数据包时刻到执行器开始执行控制信号时刻所用的时间。因此，有 f = f 三+ f 生+ f ! 。因f ! 相对采样周期很小，当忽略不计时，第k 周期整个回路网 络诱导时延为以= f 三+ t 。 一般而言，当网络诱导时延远远小于采样周期时，时延的影响可以忽略不 计；当网络诱导时延相对采样周期不能忽略时，设计闭环网络控制系统时就必须 考虑信息的传输时延。网络诱导时延可能是常数、有界的或随机时变的，这主要 与所采用的网络协议和所选用的硬件以及网络的负载情况有关。 时延对系统性能的影响：( 1 ) 时延影响系统的动态性能，时延越大，系统 的超调量越大，调节时间越长，稳定性越差。当时延大到一定值时，系统将是 不稳定的。( 2 ) 对于时延有上界( 时延不超过一个采样周期) 的网络控制系统， 网络诱导时延和采样周期都影响系统的稳定性。采样周期越小，系统稳定所容 许的时延越大；随着采样周期的增大，系统稳定所容许的时延越来越小。 因此讨论时延对n c s 的影响以及通过时延补偿控制来克服这些不利的影 响就成为n c s 研究中的重要工作。本文的工作也是围绕着时延、时延补偿等问 题进行的。 1 3 2 节点的驱动方式 在n c s 中，节点的驱动方式是指传感器节点、控制器节点和执行器节点的 启动方式。目前的控制网络节点有两种驱动方式：时钟驱动和事件驱动。时钟驱 动意味着网络节点在预定的时问启动工作，时钟驱动可使网络节点周期地工作； 而事件驱动则意味着网络节点在特定的时问发生启动工作。以控制回路中的传感 器为例，它大都是周期性地采样过程的状态，这就是典型的时钟驱动方式。除了 传感器以外，控制器在时钟方式下控制的情况在文献中也有讨论，如r a y t 3 】等对 问题的探讨就是在传感器和控制器都是时钟驱动的情况下讨论的。控制器事件驱 动是指当接收到传感器的测量数据时立即进行控制计算等操作，而执行器事件驱 动是指接收到控制器传输来的控制信号，立即执行控制命令，驱动被控对象的执 行机构，进行相应的调节操作。显然，事件驱动方式能够降低n c s 中的总时延， 提高设备处理外部事件的实时性。执行器一般都是以事件驱动方式工作，它所要 求的特定数据就是来自控制器节点的控制量输出数据。但事件驱动方式相比于时 第一章绪论 钟驱动具有以下优点： ( 1 ) 控制器或执行器采用事件驱动时，从源节点( 这里指传感器和控制器) 发送的数据到达目标节点( 这里指控制器或执行器) 便马上动作，避免了控制器 或执行器为时钟驱动时的数据等待被采样的时间，客观上减少了网络诱导时延。 ( 2 ) 控制器或执行器为事件驱动时，避免了控制器或执行器为时钟驱动时与 传感器时钟同步的困难。 ( 3 ) 控制器或执行器采用事件驱动方式时，也避免了控制器或执行器为时钟 驱动时容易出现的无效采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。但是事件驱 动相比于时钟驱动较难实现，并且一些实际的n c s 并不支持事件驱动方式。 所以在选用节点的驱动方式时应该根据实际情况来选择，本文中的执行器就 是采用事件驱动方式。 1 3 3 节点时钟同步方式 当传感器为时钟驱动，控制器或执行器也为时钟驱动时，则时钟驱动的节点 间时钟必须同步。始终同步的方式有硬件同步和软件同步两种。硬件同步一般是 通过实际介质( 传输导线) 传递同步时钟信号，对于分布在不同地理位置的系统各 节点，硬件同步难于实现且成本高。软件同步一般是通过网络广播具有高优先级 的同步时钟信号，是通常采用的同步方式。本文采用的是软件同步的方式。 1 3 4 单包传输和多包传输 在n c s 中，数据是封装成一定大小的数据包进行传输的。单包传输是指n c s 中传感器或控制器等待传输的位信息被封装成一个数据包进行传输。文献 4 研 究在单包传输的情况下，网络控制系统具有外部干扰且发生故障时的数据包检测 问题，本文中的数据包传输就是采用单包传输。多包传输是指n c s 中传感器或 控制器等待传输的位信息被封装成多个数据包进行传输。系统采用单包传输或多 包传输，取决于网络节点的各传感器所处的地理距离或控制网络中传输的数据包 容量。文献 5 7 】针对具有网络时延的情况下，研究多包传输网络控制系统的控制 和稳定性问题。 1 3 5 数据包时序错乱与数据包丢失 在n c s 中，由于数据的多路径传输机制，网络中同一节点发送到同一目标 端的数据包不可能在相同时间内到达接收端，因而产生数据包先后顺序的错乱， 天津：i ：业大学硕+ 学位论文 称为数据包时序错乱。在采用串行通信方式的n c s 中，当传感器和执行器利用 网络传输数据和控制信息时，不可避免地出现数据包丢失。 1 3 6 通信媒体的类型及通信协议 在n c s 中，通信网络主要是控制网络与i n t e m e t 的集成，用以实现控制器对 远程被控对象的控制。通常所说的控制网络主要由工业以太网、现场总线或者两 者结合组成。按网络类型和媒体访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 方式 划分，控制网络主要有随机访问和轮询服务两大类。 1 3 7 数据滤除和空采样 在n c s 中，当时变的网络时延大于采样周期时，在某一采样周期内，控制 器节点可能出现多个采样数据同时到达的情况，此时仅是最新的数据被控制器使 用，其他的数据将被丢弃掉，这种现象称为数据滤除。而空采样是指在某个周期 内可能出现无采样数据到达的情况，它可能是由于数据滤除现象、或由于控制信 号在网络中发生丢失或冲突产生的。 1 4 网络化控制系统的理论研究现状 在对系统进行分析和研究时，传统的控制理论往往做了很多理想化的假定， 如信息在网络中传输正确无误、计算延迟和传输延迟远远小于采样周期等。然而， 在n c s 中由于控制回路中网络的存在，上述假定通常是不成立的。因此，传统 的控制理论需要重新评估才能应用到n c s 中。 目前，n c s 的理论研究主要有两大分支：一个是源于计算机网络技术以提 高多媒体信息传输和远程通信服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 为目标；一个 是源于自动控制技术以满足系统稳定及动态性能( q u a l i t y o f p e r f o r m a n c e q o p ) 为目标。前者的研究对象是网络本身，后者的研究对象是网络传输环境下的被控 系统。前者的评价指标包括网络吞吐量、数据传输率、误码率、时延可预测性和 任务可调度性，研究内容是围绕着网络的q o s ，从网络的拓扑结构、任务调度算 法、网络拥塞等不同角度，运用运筹学和控制理论的方法，提出解决方案，以满 足控制系统的实时性要求，同时减少网络时延和时延的不确定性；后者的评价指 标包括系统的稳定性、快速性和准确性等，研究内容围绕着系统的q o p ，在现有 的通信网络基础上，即以网络的拓扑结构、通信协议和时延特性为已知条件，针 对n c s 存在的延迟、丢包等基本问题，建立系统模型，研究闭环系统的稳定性 第一章绪论 与控制器综合方法，以保证系统具有良好的稳定性和高质量的控制性能。本文也 是以q o p 为目标展开研究，并针对网络诱导时延提出相应的控制算法和解决方 案。下面就q o p 为目标的分析和研究方法作简要的综述。 1 4 1队列分析方法 队列方法最早是由l u c k 和r a y 在文献 8 中提出，该方法基于确定性状态估 计和线性状态反馈，可看作是基于确定性预报器的时延补偿方法。其实现是在传 感器和控制器的发送端分别设置队列型缓冲区，以保证传感器信息和控制器信息 能按照产生时间的先后顺序依次到达接收端。利用队列型缓冲区的“先入先出” 的特点，将随机时变时延转换为确定性时延，从而将随机时延系统转化为确定性 系统，使得系统的控制变得简单。但由于观测器和预报器的性能在很大程度上取 决于模型的精确性，同时队列的使用将所有时延转化成最大时延，人为扩大了时 延，因而获得的控制性能是保守的。由于队列引入了额外的不确定时延，因此队 列分析方法不适用于采用轮流访问网络的控制系统。 1 4 2 鲁棒控制方法 2 0 0 0 年g o k t a s 在频域中用鲁棒控制理论设计了一种针对网络的控制器憎。， 这种方法的主要优点是不需要预先知道有关网络时延的概率分布，把网络时延 r ，、f ? 都看作乘性摄动，并假设f ；、f ，都是有限并可近似为液体流动模型。 时延由两部分组成，第一部分为常值，第二部分为不确定性时延，随第一部分的 变化而变化。在频域中，时延由一阶伯德图近似得到，不确定性时延部分被看作 乘性摄动。然后使用玩、设计一个连续时间控制器，该控制器在实际网络中 用双线性变换进行离散化。 文献 1 0 , k 连续控制角度出发，将时延环节转化为不确定块，并用m a t l a b 的 分析和综合工具箱设计了鲁棒控制器，使得闭环系统具有较好的抗干扰能力。 文献 1 1 将时延的不确定性转换为系统状态方程系数矩阵的不确定性，将网络化 控制系统的状态向量扩展为增广状态向量，利用基于l m i 的。鲁棒控制方法， 状态通过静态反馈控制，使得系统在没有外界未知扰动影响的情况下，实现闭环 系统二次稳定。当存在外界未知扰动时，实现闭环系统具有较好的干扰抑制能力。 1 4 3 预测控制方法 目前三种最有影响的预测控制方法是动态矩阵控制( d m c ，d y n a m i cm a t r i x 天津t 业大学硕士学位论文 c o n t r 0 1 ) 、模型算法控制( m a c ，m o d e la l g o r i t h m i cc o n t r 0 1 ) 和广义预测控制( g p c ， g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 。d m c 和m a c 均适用于渐近稳定的线性过程， 且算法简单、计算量小、鲁棒性较强。g p c 是一种基于参数模型的算法，是在 自适应控制的研究中发展起来的预测控制算法。它的预测模型采用受控自回归积 分滑动平均模型( c a r i m a ，c o n t r o l l e da u t o r e g r e s s i v ei n t e g r a t e dm o v i n g a v e r a g e ) ，克服了阶跃响应模型、脉冲响应模型不能描述不稳定过程和难以在线 辨识的缺点。g p c 保持最小方差自校正控制器的模型预测，在优化中引入了多 步预测思想，抗负载扰动、随机噪声、时延变化等能力显著提高，并具有许多可 以改变各种控制性能的调整参数。它不仅能用于开环稳定的最小相位系统，而且 可用于非最小相位系统、不稳定系统和时滞、变结构系统。但是它是基于系统的 数学模型，要求被控对象的数学模型非常精确，由于网络时延的存在，随着预测 长度增加，误差也会越来越大。为了克服此缺点，文献 1 2 以网络控制系统为研 究对象，针对网络控制系统具有不确定时延的特性，用b p 网络建立了一个误差 的预测模型，结合基于参数模型预测的预测值，构成了一个广义预测控制算法， 克服了系统不确定性和一般的广义预测控制的建模误差的影响。当模型发生失配 时，有神经网络误差补偿的广义预测控制比一般算法g p c 的控制效果有所改善。 1 4 4 模糊控制方法 考虑到网络时延具有不确定性的因素，可采用模糊逻辑、神经网络、遗传算 法等智能计算方法。特别是，当被控对象模型难以建立，或没有精确的数学模型， 并且传统的控制方法难以胜任时，往往可以采用模糊逻辑控制的方法进行研究。 由于网络产生的时延通常是不可预测，甚至难以准确测量，因此，模糊逻辑控制 适合于研究网络控制系统3 1 。 k y u n gc h a n gl e e 、s u kl e e 等重点研究了用模糊逻辑控制方法解决网络控制 系统的有效性4 1 5 1 。a l m u t a i r i 和c h o w 利用模糊逻辑控制方法，在网络控制系统 的p l 调节器的增益自i 部设置智能控制器，对网络时延进行自适应的补偿控制n 6 | 。 这种模糊逻辑补偿器的优点之一在于：不需对己存在的p i 控制器进行重新设计， 只需简单利用智能模糊逻辑控制器的输出来调节p i 控制器的运行。 1 5 本文内容的安排 围绕网络随机时延对控制系统的性能影响这一中心问题，研究者们从不同 的角度和领域提出了各种预测、补偿、分析方法，其基本思想都是用确定模型来 第一章绪论 近似描述不确定的n c s ，这种思路往往会导致保守的结果。另一方面，一些在 不确定系统控制领域取得良好控制效果的控制策略，如模糊控制技术，在n c s 领域还未被系统的研究过。针对这种情况，本文主要在n c s 稳定性分析，补偿 网络时延方面进行了研究，论文的内容安排如下： 第一章简要介绍了网络控制系统出现的背景和意义，叙述了网络控制系统 的几个基本问题，并给出了本文研究的方向。 第二章分析了基于t r u e t i m e 工具箱的网络仿真环境的优点与不足，提出一 种基于实际的网络环境的实验装置，并给出了具体的设计方案。 第三章介绍了实验装置服务端的硬件平台。 第四章基于硬件平台，分析如何移植相关的软件系统。 第五章基于开发的实验平台，通过实验验证了基于广义预测控制的补偿策 略的有效性，主要是在含有死区输入的h a m m e r s t e i n 系统中的应用。 第六章总结本文的工作，并对n c s 的研究做出了展望。 1 6 本章小结 随着现代工业中控制技术和网络通信技术在各个层面上的融合，n c s 的理 论研究在近年来得到了很大的发展。n c s 研究的核心问题是控制系统中的网络 时延，而网络时延分布特性是由网络介质访问协议所确定的。本章介绍了n c s 研究产生的背景、n c s 的概念范畴，描述了本文所研究的n c s 系统的结构和时 延特性，并综述了近年来n c s 研究的成果，最后给出了本文的主要工作。 天津工业人学硕士学位论文 1 2 第二章n c s 实验平台的设计与开发 第二章n c s 实验平台的设计与开发 本实验平台的设计重点强调可以利用真实的e t h e r n e t 来进行相关的实验程 序运行，这样可