网络控制系统的分析建模与控制研究

论文摘要

随着计算机网络技术、嵌入式系统的发展成熟,加之低廉的硬件价格,使得基于网络环境的自动化控制系统成为一种的新的应用趋势;在远程控制和复杂控制系统的客观需求下,网络控制系统的分析与综合迅速成为当前控制理论的研究热点之一;本文基于鲁棒控制理论、随机控制理论,切换系统理论、时滞系统理论、以及线性矩阵不等式方法,对线性系统、不确定系统、非线性系统的网络化控制问题、以及网络控制系统的实际应用进行了深入地研究,主要包括以下内容:对当前网络控制系统的发展以及国内外研究进展进行了概述,对网络控制系统的研究方法进行了详细的综合分析和总结;为了对网络控制系统的建模、设计提供有理的依据,本文对几种网络媒介的传输特性、网络延时特性进行了分析和总结;测试了Internet的通信延时,提出了基于支持向量机（SVM）的网络延时预测方法,对于基于Internet网络控制系统的研究具有重要的指导意义。针对一类由于节点间的竞争而导致访问滞后的网络化控制系统,本文通过等价变换,将网络控制系统建模为时滞系统,然后采用时滞系统的最新研究方法-奇异系统方法-来研究,得出了网络控制系统渐近稳定且时滞相关的充分条件。该结论具有较小的保守性,能够应用于网络控制系统的工程设计。针对一类具有长随机时滞特性的网络化线性控制系统,分别对状态反馈和输出反馈的情况,提出了基于对象模型的多步预测实现时滞补偿控制的策略;并分析了采用时滞补偿策略网络控制系统的稳定性,得出了保证网络控制系统稳定的充分条件。进一步,将该时滞补偿策略推广到不确定系统的网络化控制中,基于鲁棒控制理论和线性矩阵不等式方法导出了其稳定充分条件。研究了一类多包传输网络控制系统的建模与稳定问题;根据现场总线网络的传输特性,提出了一种合适的建模和设计方法,即:传感器节点和控制器节点以时间驱动方式工作,将多包传输网络控制系统建模为切换控制系统,最后分析了其稳定性,得出了渐近稳定的充分条件。针对一类单输入-单输出仿射非线性系统,首先通过微分同胚变换实现了仿射非线性系统的无反馈精确线性化;然后基于精确化线性模型,分别讨论网络延时为常时滞,随机时滞小于一个采样周期和随机长时滞情况的控制问题。通过一个具体的实例,给出了其设计方法与步骤。研究了基于Internet的网络控制系统的实现、控制问题。基于Socket通信技术,采用LabWindows/CVI 8.0开发了Internet环境下的液位过程控制系统。利用该网络控制系统实验平台,实现了校园网环境下液位过程控制系统的实时控制;采用时滞补偿策略,实现了Internet（广域网）环境下的液位过程控制系统。最后对全文进行了总结,指出了下一步需要研究的工作,对网络控制系统的未来进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 网络控制系统概述
• 1.3 网络控制系统研究综述
• 1.4 本文的结构
• 2 网络传输性能及时滞特性分析
• 2.1 控制网络传输特性及时滞分析
• 2.2 INTERNET 传输特性及网络延时分析
• 2.3 本章小结
• 3 基于时滞系统理论的网络化控制系统的分析与设计
• 3.1 引言
• 3.2 网络化控制系统建模
• 3.3 稳定性分析
• 3.4 控制器设计
• 3.5 仿真举例
• 3.6 本章小结
• 4 网络化控制系统的时滞补偿控制
• 4.1 问题描述
• 4.2 状态反馈网络控制系统的时滞补偿控制
• 4.3 输出反馈网络控制系统的时滞补偿
• 4.4 本章小结
• 5 不确定系统的网络化控制研究
• 5.1 问题描述
• 5.2 网络化不确定控制系统的建模
• 5.3 时滞补偿控制策略
• 5.4 稳定性分析
• 5.5 仿真举例
• 5.6 本章小结
• 6 多包传输网络控制系统的研究
• 6.1 问题描述
• 6.2 多包传输网络控制系统的分析和建模
• 6.3 稳定性分析
• 6.4 仿真举例
• 6.5 本章小结
• 7 非线性系统的网络化控制研究
• 7.1 问题描述
• 7.2 精确线性化基本理论
• 7.3 网络化非线性控制系统的建模和控制
• 7.4 仿真举例
• 7.5 本章小结
• 8 基于INTERNET 的网络化控制系统
• 8.1 问题描述
• 8.2 系统模型参数辨识及其实现
• 8.3 基于校园网的液位过程控制系统
• 8.4 基于INTERNET 的网络化控制系统
• 8.5 本章小结
• 9 总结与展望
• 9.1 论文取得的研究成果
• 9.2 论文创新点
• 9.3 进一步研究工作
• 9.4 NCS 未来展望
• 参考文献
• 附录 攻读博士期间发表的主要论文