网络控制系统神经元自整定PID控制器设计与仿真研究

论文摘要

网络控制系统(Networked Control System, NCS)以通信网络作为控制器、执行器以及传感器之间的通讯媒介,是网络通信和自动控制相结合的产物。近年来,随着通信网络在工业自动化和航空航天控制技术中的广泛应用,NCS的研究受到了越来越多研究者的关注。NCS中的通信网络使得整个控制系统中存在不确定时延,这使得传统的控制方法常常难以直接应用于NCS。本文围绕网络控制系统性能的研究、NCS的特性分析、NCS的仿真、控制器设计及改进等问题进行了以下几方面的研究工作：首先,在介绍网络控制系统的产生背景、概念的基础上,着重介绍了网络控制系统存在的几个主要问题以及近年来的研究进展,概括介绍了本文的主要研究工作。其次,设计了NCS的仿真平台,研究了网络控制系统中两种驱动方式对网络控制系统性能产生的影响。仿真结果表明,当存在随机时延的情况下,只要时延在一定的范围内,事件驱动的控制器有着更好的性能；但是当时延远大于采样周期时,时间驱动的控制器要比事件驱动的控制器性能好。再次,从控制理论的角度针对复杂多变的网络环境设计了一种单神经元自整定PID控制器,仿真结果表明,使用该控制器的NCS在网络存在时延、干扰、丢包率增加和竞争节点网络占有率增大等情况下,与传统的PID控制器相比,本章设计的控制器使系统具有更好的稳定性和鲁棒性。最后,针对传统神经元控制器中梯度下降算法的不足之处设计了一种基于遗传算法的神经元控制器。并针对实际的控制目标对一般的遗传算法在种群数量,交叉概率和终止准则等方面进行了改进,仿真结果表明了所提出的改进算法的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 工业网络控制系统概述
• 1.2.1 直接数字控制
• 1.2.2 集散控制系统
• 1.2.3 现场总线控制系统
• 1.2.4 工业以太网控制系统
• 1.3 网络控制系统研究中的基本问题
• 1.4 网络控制系统的研究概况
• 1.5 本文工作
• 第2章 NCS时延的仿真问题及其时序分析
• 2.1 NCS的诱导时延
• 2.2 网络控制系统的时序
• 2.3 时延对网络控制系统性能影响的仿真研究
• 2.3.1 TRUETIME工具箱
• 2.3.2 控制器驱动方式对系统性能的影响
• 2.4 小结
• 第3章 神经元自整定PID控制器的设计
• 3.1 神经元自整定控制器
• 3.1.1 人工神经元简介
• 3.1.2 单神经元学习规则
• 3.1.3 单神经元自适应控制器设计
• 3.2 仿真分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于遗传算法的神经元自整定控制器设计
• 4.1 遗传算法简介
• 4.1.1 遗传算法的背景和发展历程
• 4.1.2 遗传算法的基本概念
• 4.1.3 遗传算法主要特点
• 4.2 基于遗传算法的神经元PID参数整定控制器设计
• 4.2.1 编码
• 4.2.2 种群
• 4.2.3 适应度函数的设计及其尺度变换
• 4.2.4 选择运算
• 4.2.5 交叉运算
• 4.2.6 变异
• 4.2.7 终止准则
• 4.3 仿真举例
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢