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(电工理论与新技术专业论文)基于无线网络运动控制系统的研究.pdf.pdf 免费下载
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a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yd e v e l o p m e n ta n di n f i l t r a t i o no ft h ec o n t r o l ,c o m p u t e r , n e t w o r k , a n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , m a n yk i n d so fr e s e a r c ho fc o n t r o ls y s t e m sb a s e do nn e t w o r ki sm o r e a n dm o r ea t t r a c t i v e w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sn e t w o r k sa p p l i c a t i o n s ,w i r e l e s s n e t w o r k e dc o n t r o li sd r a w nt h ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s 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 i n c s ) i sad i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mc o n n e c t e do v e raw i m l e s sn e t w o r k t h ew i n c sh a s m a n ya d v a n t a g e s ,s u c ha sc o n v e n i e n ta p p l i c a t i o n , e a s yt om a i n t a i na n de x p a n d ,f l o w e rc o s t , a n d s oo n s i n c et 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 sr a n d o m d e l a y s ,p a c k e tl o s s e sa p p e a r t h e r e f o r e ,t h es t u d yo fw i n c sh a sb e c o m eah o t s p o ti nt h ec o n t r o l 丘e l d c o n s i d e r i n gt h ei m p a c to fn e t w o r k - i n d u c e dd e l a y sa n dp a c k e tl o s s e s , t h ed e s i g na n d e x p e r i m e n to ft h ec o n t r o l l e ri nw i n c sa r es t u d i e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m si sr e v i e w e d ,a n ds o m eb a s i cc o n t e n t s , i s s u e sa n dr e c e n tr e s e a r c hr e s u l t so nw i n c sa r es u m m a r i z e d s e c o n d l y , e s t a b l i s haw 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 mp l a t f o r ma n du s ei tt oc o n t r o lt h e m o b i l er o b o t ,a n dt h e n ,m o d e l i n gm e t h o df o rt h em o b i l er o b o ti sp r o p o s e d t h i r d l y , a i m e da tr o b o tb a s e do nt h ew i r e l e s sn e t w o r k , t h ee f f e c to ft h en e t w o r k - i n d u c e d d e l a y so nt h em o b i l er o b o tc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y z e d i ti n d i c a t e st h a tw em u s ta d o p tv a l i d c o n t r o ls t r a t e g yt oc o m p e n s a t et h ef a c t o r , i no r d e rt oe n s u r et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t y f i n a l l y , t h ef u z z yi m m u n ep i dc o n t r o l l e ra n dt h em o d i f i e dn e t w o r k e dp r e d i c t i v ec o n t r o la r e a p p d j e dt oc o n t r o lt h em o b i l er o b o tb a s e do nt h ew i r e l e s sn e t w o r k t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h ec o n t r o l l e r se m p l o y e di nt h i sp a p e ra x ee f f e c t i v ea n dc a ni m p r o v et h eb a de f f e c to ft h e d e l a yo nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eb a s e do nt h ew i r e l e s sn e t w o r k 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 , m o b i l er o b o t , n e t w o r k i n d u c e dd e l a y , f u z z y i m m u n ep i dc o n t r o l ,p r e d i c t i v ec o n t r o l 学位论文独创性声明 本人郑重声明: 1 、坚持以。求实、创新一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 、其他同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:么互l 圭 日 期:k 丛:皇! i j 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g 日期: 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 随着电子计算机和网络技术的发展以及控制和管理要求的不断提高,使得 控制系统正由封闭的集中体系加速向开放分布式体系发展( 如图1 1 所示) 。 剿斌 搠 黼 组合耐封删 e 集e f e 趔0 现燃卜开放嵌入式网 系统系统 令 集制努懒 卜 控懒 络惴麟 图1 1 控制系统的发展进程 传统的集中式控制系统典型结构如图1 2 所示,这种系统一般采用一个中央 控制单元( c p u ) 完成计算、信息处理等所有工作,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【1 1 。 图1 2 集中式控制系统不恿图 随着现场采集的信息量的增加,集中式控制系统对中央控制单元的硬件性能 要求越来越高,编程软件也越来越复杂,越来越需要计算能力的分布化,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 3 所示。d c s 的核心思想是分散控制、集中监视操作。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。 南京师范大学2 0 0 8 年硕十学位论文 图1 3 集散式控制系统示意图 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,必须采用分布式控制系统代替独立控制 系统,如图1 3 所示。分布式控制系统就是将控制功能下放到现场节点,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 n t r o ls 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 t r o ls y s t e m ) 。前者可以看作是后者的初级阶段。 图1 4 分布式控制系统示意图 到了2 0 世纪9 0 年代,微处理器的发展对计算机在控制系统中的应用产生了 深刻影响。随着a s i c 芯片设计技术的发展和硅片价格下降传感器和执行器可以 带有网络接口,并成为实时控制网络中的独立节点,这一切都为网络控制系统 的出现提供了良好的契机。 2 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 1 2 网络控制系统概述 1 2 1 网络控制系统的描述 作为网络应用系统的一种,基于网络的各种控制系统的研究近年来受到人们 的普遍关注,远程遥操作、遥医学、远程教学和实验、无线网络机器人、以及新 兴的现场总线和工业e t h e r n e t 技术等,本质上都可归结为基于网络的控制系统, 或者称为网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ,n c s ) ,即利用专用或公用 数据通信网络代替传统的点对点连接构成的闭环控制系统。 “n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 一最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g c w a l s h 的论著中【3 1 ,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【4 】等用 了“网络控制系统一一词,而重庆大学的张结斌等用了术语“分布式网络控制系 统 这样的术语。清华大学的顾洪军【5 l 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。其本质是信息( 参考 输入、对象输出和控制输入等) 在控制系统各部件间( 传感器、控制期和执行器 等) 通过网络进行交换。 n c s 中的网络是一个广义的范畴,包含了f c s 、工业以太网、无线通信网 络、甚至i n t e m e t ,这也是与网络技术的发展想适应的。根据其回路中所嵌入的 网络结构的不同可以将其大致分为广义网络控制系统和狭义网络控制系统。一般 认为通过f c s 和工业以太网等组成的网络控制系统是狭义的网络控制系统,而 由通用计算机网络比如计算机广域网、i n t e r a c t 等网络组成的控制系统则被视为 广义的网络控制系统。 1 2 2 网络控制系统的结构 网络控制系统是一种空间分布式系统,被控对象、控制器、传感器、和执行 器由一个有限数字带宽的数字通信网络进行连接和信息传输。典型的网络控制系 统结构可以用图1 5 描述。 3 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 图1 5 网络控制系统结构图 由图可以看出,在一个网络控制系统中,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,他们之间的信息交换由一个公共网络平台完成, 这个网络平台可以是有线网络,无线网络或混合网络。目前常用的网络环境有 d e v i c e n e t ,e t h e r e n t ,f i r e w i r e ,i n t e m e t ,w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) , w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 和w m n ( w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ) 等。 1 2 3 网络控制系统的基本问题 n c s 与传统的点对点结构的控制系统相比,网络控制系统打破了后者在空 间物理位置上的限制,拓宽了控制系统活动的场所,降低了系统的连接复杂性、 减少了运行成本和维护费用,便于实现管控一体化,提高了信息集成度。具有可 以实现资源共享、远程操作与控制、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【1 。2 】,主要有下面几个基本问题: ( 1 ) 时变传输周期。传统的计算机控制系统都假设对被控对象的采样为等周 期采样,这种假设使得对系统的分析大大简化。然而,在n c s 中这种假设将不再 成立。在n c s 中,对采样数据的传输可以是等周期的,也可以是非周期的,这将 4 南京师范大学2 8 年硕士学位论文 取决与控制网络的介质访问控制协议( m e d i u ma c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ,简称 m a c 协议) 【3 l 。 ( 2 ) 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。这里所说的网络调度发生在网络用户层,调度算法 所关心的是被控对象传输数据的快慢和被传输数据所具有的优先权。如何利用有 限的网络资源,实时传输较为重要的数据包以及在保证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。 ( 3 ) 网络诱导时延与抖动。在网络环境下,多个节点共享通信线路且流量变 化不规则,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 导致网络诱导时延【2 3 ;2 4 2 5 】。时延的存在会降低控制系统的性能,甚至引起系统不 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。抖动为“在任何特定的时间间隔内,与 时问相关的、突然的、乱真的变化一,抖动依赖于时钟的精确性、调度算法和计 算机硬件结构。从控制角度看,抖动表现为控制周期的抖动,延时抖动,采样抖 动:从调度的角度看,抖动表现为输入抖动,输出抖动,队列抖动,截止期抖动。 ( 4 ) 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 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间内 传输,当超出时限后将发生丢包。 ( 5 ) 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到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。 ( 6 ) 数据包的时序错乱。在网络环境下,传输的数据经过众多计算机和通讯 设备且路径不唯一,从而导致书数据包的时序错乱。对于单包传输,每一包数据 是一个完整的数据,此时的错序是指原来有一定先后次序的多个完整的数据在源 节点传输到目标节点时,其到达的时序与原来的不同。而对于多包传输,一个数 据分成多个数据包进行传输,当这些数据包从源节点到达目标节点是,其到达的 时序与原来不同。 5 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 1 3 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 i r en e t w o r k e 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 e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ,简称为w i n 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 集中在有线网络控制系统,而无线网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,使无线网络的应用变得越来越广泛【1 2 1 ,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 所处的环境很难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。目前,无线 网络控制系统已经成为控制界的热门话题,系统结构组成可以用图1 6 描述。 图1 6 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w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、w s n ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 和 删( w h k s sm e s hn e t w o r k ) 等。 6 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 1 3 1 无线网络的基本结构和特性 无线网络是一种随机性网络 7 1 ,目前支持两种网络协议:i e e e8 0 2 1 1 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 7 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。 高层信息 公 低层信息 图1 7 无线网络的分层结构 目前关于有线网络控制系统的研究成果已经取得了很大的进展,而对无线网 络控制系统的研究相对还比较少,然而在实际应用中无线网络有许多有线网络不 具备的优越性: ( 1 ) 安装便捷。一般在网络建设当中,施工周期最长、对周边环境影响最大 的就是网络布线的施工。在施工过程时,往往需要破墙掘地、穿线架管;而无线 网络最大的优势就是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量,一般只要在 安放一个或多个接入点( a c c e s sp o i n t ) 设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局 域网络。 ( 2 ) 使用灵活。在有线网络中,网络设备的安放位置受网络信息点位置的限 制;而一旦无线局域网建成后,在无线网络的信号覆盖区域内任何一个位置都可 以接入网络,进行通讯。 7 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 ( 3 ) 经济节约。由于有线网络中缺少灵活性,这就要求网络的规划者尽可能 地考虑未来发展的需要,往往导致需要预设大量利用率较低的信息点,一旦网络 的发展超出了设计规划的预期,又要花费较多费用进行网络改造;而无线局域网 可以避免或减少以上情况的发生。 ( 4 ) 易于扩展。无线局域网有多种配置方式,能够根据实际需要灵活选择。 这样,无线网络能够胜任只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络,并 且能够提供像“漫游等有线网络无法提高的特性。 虽然无线网络已经在现实生活的很多领域得到了应用,但在对于数据传输实 行性要求较高的控制系统中,有线网络并不能简单地利用无线网络来代替。和有 线网络相比,无线通信具有很多不同特性,因此在研究无线网络控制系统时,必 须考虑到这些特性对系统性能的影响: ( 1 ) 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,因此网络拓扑结构是动态的; ( 2 ) 较长的时延及丢包。由于带宽和网络协议的限制,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,导致网络传输出现延迟,也增大了数据 丢包的概率。 ( 3 ) 网络带宽的限制。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间 发生变化。 ( 4 ) 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,各节点之间还存在着干涉影响。 ( 5 ) 功率控制。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。 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 8 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 络协议考虑优化控制算法。 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变 得同样重要。无论是在有线网络控制系统还是在无线网络控制系统,时延和丢包 是引起系统性能退化的主要原因,因此无线控制系统的研究内容主要集中在如何 减小随机时延和丢包对控制性能的影响,保证无线网络传输的实时性和可靠性。 1 3 2 w i n c s 研究现状 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。 w i n c s 是无线网络技术和工业控制相结合的产物,它的研究涉及到控制和通 信网络两个方面。目前,对w i n c s 的评价通常有两个标准:系统控制性能( q u a l i t y o fp e r f o r m a n c e ,o o p ) 和网络服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ,o o s ) 。前者的评价指标和 常规控制系统一样,包括稳定性、快速性、准确性、超调和振荡等。后者的评价 指标包括网络吞吐量、传输效率、误码率、时延可预测性和任务可调度性;但要 达到性能要求,仅靠传统的控制理论是不够的,因为无线网络通信将一些不确定 性因素带入了闭环控制,不再满足传统控制理论的理想假设。从这两种评价标准 出发,目前对w i n c s 的研究主要从下面三个方面去考虑。 ( 1 ) 从保证q o p 的角度出发,将w i n c s 的研究归为控制问题,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较强鲁棒 性,保证系统良好的控制性能和稳定性。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 l 7 】对无线网络控制系统进行了分析和研究,在传感器、控制器和 执行器之间通过无线局域网( 8 0 2 1 l b ) 进行信息交换。基于网络环境,提出一种 最优l q g 控制器,并通过实验比较传统l q g 控制器和最优l q g 控制器的性能, 得出在考虑时延和丢包的情况下,最优l q g 控制优于传统l q g 控制。 最近几年,采用预测控制理论方法,人们提出了预测控制的设计思路,能够 补偿从传感器到控制器网络不确定性的预测控制【引。 ( 2 ) 从保证o o s 的角度出发,将w i n c s 的研究归为调度问题。研究的内容 主要集中于围绕网络服务质量,从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协 议等不同的角度设计网络调度机制和协议,从而提供可靠的通信信道,保证良好 的网络质量,提高网络的利用率,减小网络时延、数据丢包以及错序等现象对控 9 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 制性能的影响,从而进一步提高控制系统的性能,使得控制器的工作状态最优。 l i u 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【9 1 。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 虑两者的通信问题,针对传感器与控制器之间的无线网络,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 【l o l o e 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 d s m i t ha 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1 1 1 l 。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,可能会导致同 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 r s 和r a g h a v a n v s 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1 1 2 】。l i n go 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1 1 3 1 。g e o r g i c vd 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 4 1 。 ( 3 ) 从保证q o p 与q o s 两者相结合的角度出发,将w i n c s 的研究归为控制 和通信的联合设计。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 数目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) 来达到。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。因此,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制性能的目标要求。 在文献 1 5 1 q 口,u u 和g o l d s m i t h 提出了一种无线网络跨层设计方法,即联合 设计控制和通信。不仅考虑控制参数的设计,同时也需要考虑网络各层协议参数 的优化设计问题。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,每层应对本层的变化和其他层反馈的信息 做出合理反应【1 6 1 。跨层设计要求打破传统0 s i 模型中严格分层的束缚,是网络 各层共享与其他层次相关的信息,针对各层相关模块或协议的不同的状态和要 1 0 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 求,在整体框架内,利用层与层之间的相互依赖和影响,并根据系统的约束条件 和网络特征来进行综合优化,实现对网络资源的有效分配,提高网络的综合性能。 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 究的内容之一1 1 刀。瑞典l u n d 工学院的d a nh e n r i k s s o n 提出一种基于m a t l a b 的实时仿真环境1 1 8 l ,利用t r u e t u n e 工具箱中的仿真模块,可以构建分布式实时 系统的动态过程、控制任务执行以及网络交互的联合仿真环境。在该仿真环境中, 可以研究各种调度策略和网络协议对控制性能的影响,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 无线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, 给控制界带来了新的机遇和挑战。本文主要对无线网络环境下的移动机器人系统 进行建模、分析与控制器设计。由于时延的存在会造成系统的性能下降,甚至引 起系统失稳,因此有必要对其进行研究。本文的研究思路如下:首先对研究所采 用的轮式移动机器人通过系统辨识进行建模,对其轨迹跟踪控制问题进行研究, 然后分析网络引入后系统的特性,主要考虑时延的影响,最后设计其相应的预测 控制器和网络延迟补偿器,通过试验验证了算法的有效性。论文中各章节内容安 排如下: 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。 第二章在实验室建立一个以移动机器人为控制对象的无线网络控制系统平 台,通过系统辨识对机器人建立模型。 第三章首先对不同网络类型的比较及时延特性的分析,然后对机器人运动控 制问题进行了研究,实现了受控移动机器人的运动控制。对引入网络后的移动机 器人控制系统进行性能分析,并通过试验分析了网络时延对控制系统性能的影 响,结果表明必须采取有效的控制策略对时延进行补偿。 第四章分析基于无线网络的模糊免疫p i d 控制器和网络预测控制策略的设 计方法,在机器人的无线网络控制系统中加入这两种控制策略,通过对受控移动 机器人的实验分析,实验结果验证了这两种控制策略的有效性,改善了无线网络 环境下时延对移动机器控制系统性能的影响,优化了控制效果。 第五章为结论和展望,对全文内容进行总结,并指出本课题有待进一步研究 的问题。 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 第2 章w i n c s 实验平台与机器人模型的建立 2 1 引言 在n c s 研究中,为了验证所提出的理论与方法的有效性,往往需要进行仿真 或实验。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,针对无线网络控制系统的研究引起了国内外控制界的极大关注。 目前无线网络控制系统的理论研究在不断的完善,而其研究大多集中在基于 m a t l a b 环境下的理论分析和仿真,很少针对实际对象进行实时控制。为了更好地 验证各种系统模型以及控制策略,必须建立实际的实验平台,从而对无线网络控 制系统进行深入的理论研究。n e t c o n 系统的出现,为无线网络控制系统的理论 与实际对象的结合得以实现。本文利用n e t c o n 系统提供的平台,在实验室建立 的一个实际的无线网络环境下,以机器人为运动控制对象,构建一个无线网络控 制系统,对其进行实时控制。 2 2w in o s 实验平台建立 采用无线网络控制环结构建立控制系统,即传感器到控制器之间和控制器到 执行器之间都是通过无线方式连接的1 2 7 1 ,如图2 1 所示。 控制节点: 一匿卜雕 r 瓠r 藐弄蕊磊。 续 阿 络 j ,一, 图2 1 无线网络控制环结构图 基于上述无线网络控制环结构,在n e t c o n 系统平台下,以机器人为控制对 象,在实验室构建一个实际的无线网络控制系统,其系统简化结构如图2 1 所示。 南京师范大学2 0 0 8 年硕十学位论文 叫曩鬣r 阿络控制器1 ( 传感器) 网 络 阿络控制器2 ( 控制器) 图2 2 构建的无线网络控制系统结构示意图 本实验使用了两台中国科学院自动化研究所开发的n e t c o n 网络控制器构成 无线网络控制系统。其中一台通过串口与机器人连接,既作为传感器单元,将机 器人传感器采样的信号发送给网络控制器2 ,又作为执行器接收控制器发来的控 制信号送达机器人;另一台作为无线网络控制系统中的控制器,执行控制算法。 两台网络控制器通过无线网卡与无线路由器组成无线局域网络,这样就构建出一 个以机器人为对象的实际的无线网络控制系统。 n e t c o n 系统是中国科学院自动化研究所研制出一类的现场网络化控制系统, 主要由网络控制器、网络化可视控制组态平台和网络化可视监控组态平台三部分 组成,系统简化结构如图2 3 所示。 圈 i 键l 绠 k 。o j ,盆i l j 阿络控制器1 簟 网络控制嚣2 图2 3n e t c o n 系统整体结构 网络控制器属于硬件平台,是基于高性能、低功耗、低成本、小体积的3 2 位 a r m 微处理器和运行嵌入式操作系统。它本身带有各种外部接口,如串口通信 模块,模拟输入输出通道等,经网络接收监控组态平台的控制参数与控制命令, 1 3 南京师范大学2 0 0 8 年硕t 学位论文 并将机器人的运行状态实时上传至监控组态平台。 控制组态软件作为控制算法设计的平台,基于m a t l a b 、s i m u l i n k 和r e a l t i m e w o r k s h o p ,能够实现和s i m u l i n k 的无缝结合。利用s i m u l i n k 提供的各种模块及 为用户提供的系统函数s f u n c t i o n 可以快速地建立控制对象及控制器模型,并对 整个控制系统进行多次的离线及在线试验来验证控制策略的可行性;同时结合 r e a l t i m ew o r k s h o p ,自动完成代码的生成、编译、连接和下载到网络化控制器 中执行,进而对被控对象进行直接控制,同时由网络化可视监控组态平台进行管 理。 监控组态软件用于网络监控模型的运行状态,它能够完成现场数据采集、实 时和历史数据处理、趋势曲线等功能,可实现实时远程监视、远程控制和远程调 试;可以把控制器的运行效果通过各种显示控件表现出来,如数字显示框,曲线 趋势图等,并根据实际情况,通过网络在线修改模型参数,观察新的运行状态。 本实验研究的控制对象是上海英集斯自动化有限公司研制的m t - 一r 智能机 器人,其系统结构如图2 4 所示,涉及能源、计算机、运动、传感器等部分。 嬲 臣_ l 骟勰l t r _ _ - l 骢跫罄2 l 翻譬 右电机 图2 4 机器人系统简易框图 1 4 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 计算机主板,运动控制卡、驱动器等设备均通过一组2 4 v ,2 0 a h 动力锂电 池供电,在满负荷运行的时候,可以运行3 小时左右,充电时间为4 5 小时。同 时,还有可外接d c2 4 v ,2 1 a 直流电源,实现2 4 小时全天候工作,电源控制板 提供了欠压保护、声光报警,反接保护,能自动切换外接电源。 计算机采用嵌入式工控主板,处理器i n t e lp 42 8 g ,8 0 g 硬盘,d d r5 1 2 m 内存。 运动控制卡采用d s p + c p l d 结构,可以完成3 路以上电机伺服控制,与主 机采用c a n ,串口等联系方式。 传感器单元包括超声和红外传感器,超声传感器用来探测物体的距离,配备 了6 个美国宝利来公司的超声测距传感器,通过u s b 接口与计算机主板连接, 实现即插式收发一体,发射角为1 5 度,有效距离可达1 5 c m - 7 0 0 c m 。红外传感器 也可以自动获取物体距离值,但是有效距离比超声传感器要短很多,范围在 8 c m - 8 0 c m ,可以与超声传感器结合一起使用,来弥补超声传感器检测不到的盲区。 这里配备了6 个s h a r p 远红外p s d 测距传感器。 2 3 设计与建模 2 3 1 功能模块的设计 n e t c o n 系统与机器人采用串口连接进行通讯,通过建立各个模块实现不同 的功能,主要有无线通讯模块( n e tr e c v 与n e ts e n d ) ,运动控制模块 ( m o t i o n c o n t r 0 1 ) 、超声模块( s o n a r ) 、速度模块( s p e e d ) 等,无线通讯模块包括发送 端与接收端,两者是成对使用的,通过此模块建立无线网络连接:运动控制模块 是对机器人各种运动模式的设定;超声模块是获取各个超声传感器的数值;速度 模块是获取左右两轮的速度大小和方向。各个模块具体框图如图2 5 所示 ( a ) 通讯模块 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 ( b ) 运动控制模块 s e n e r m i o s , 1。 r 2 、l 1叠l l t o, s o n a r 、: r ( 6 )l 1 i 一” ( c ) 超声模块 s c n c m t 。8 s p e e d ( d ) 速度模块 图2 5 各种功能模块 ( a ) 图中n e tr e c 为通讯发送模块,n e ts e n d 为通讯接收模块,在2 个网 络控制器通过无线路由器进行通信时要是成对使用这2 个模块,s e t t e r m i o s :是串 口通讯使能开关,在机器人的运动控制卡与网络控制器中进行串口通信时都要 使用这个模块,以开启串口通信。 ( b ) 图中m o d e :表示运动模式,不同的数值可以实现不同的运动模式,1 、 2 、3 、4 分别实现为前进、左转、右转和后退模式,5 、6 、7 分别表示运动轨迹 为直线、正方形和圆,p a r a m e t e r s 模块表示运动模式的参数,运动轨迹为正方 形和圆分别对应边长和半径。s p e e d 模块用来设定机器人的运动速度。 ( c ) 图中s o n a rs w i t c h 为超声使能信号,l 表示打开超声传感器,0 表示 关闭超声传声传感器,通过s o n a r 模块输出6 路超声传感器测的数据。 ( d ) 图中的s p e e d 模块输出左右两轮速度的大小和方向。 1 6 一一一一 1 2 3 4 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 2 3 2 机器人模型的建立 本文以机器人为运动控制对象,为定量分析和研究,需用数学模型描述先将 其模型化,在此基础上再进行运动控制的研究。 当对象较简单时,可应用有关知识建立对象的机理模型,并达到较高精度。 当对象较复杂时,建立其机理模型困难,可通过系统辨识获得对象的i o 数据, 并依此建立对象的数学模型 1 9 1 。由于采用机理建模较难准确的建立机器人的数 学模型,由机理建模所得到的模型不适于控制算法的研究,本文采用系统辨识的 方法为机器人建立数学模型。系统辨识是指人们利用实验的方法,根据系统的输 入输出数据,对系统的内在结构和参数作出相应的判断和估计,以构造一个相对 真实地反映客观对象的数据模型的一种建模方法。 由于实际建模中存在不确定性,获取对象数据时受条件和环境的制约,从数 据获取到模型的建立经反复探索,计算量大,用手工难以完成。故借助m a t l a b 系统辨识工具箱进行建模,可简化计算过程、提高效率,其图形功能使建模过程 直观、形象。 基于以上分析按照实验系统要求我们选用基于m a t l a b 的参数模型辨识方法 求出系统的传递函数。利用参数模型状态方程差分方程或微分方程等对过程进行 描述,参数模型指用有限参数描述过程的模型。常用的参数模型有a r 模型、 a r x 模型、a r m a x 模型、瑚模型、p e m 模型和输出误差模型。常采用差分 方程描述这类参数模型。由于所用的输入信号和得到的输出信号都不是典型 的信号因此采用p e m 模型一般输入输出模型。其函数表达式为: 帅阶粥小训+ 器小) 其中a ( q ) = 1 + 口1 q - 1 + 口2 q _ 2 + 口q 一,b ( q ) 一岛+ 也口1 + 6 3 口- 2 + q 一+ 1 “谚、刃( g ) 、以功也是g 的多项式,g 是延时算子即日。1 = y ( k 1 ) ,a 1 , 口2 ,a 是模型参数,p ( 脚是噪声,仇为控制时滞,彳( 功、锣( 功、玖彩、刃( d 、尺功的 阶次分别为凡口,n b ,n d ,n ,。 1 7 南京师范大学2 0 0 8 年硕士学位论文 建模过程如下: ( 1 ) 数据预处理 由于实验
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