基于NetCon的倒立摆系统的网络控制

论文摘要

随着控制科学和计算机网络的日益发展,各种基于网络的控制研究越来越受到人们的关注。与传统的点对点式的控制系统比较,NCS (Networked Control System)具有连线少、易于系统扩展和维护、灵活性高等优点；总而言之,NCS使某个区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。结合网络控制技术的发展,倒立摆是理想的基于网络的控制教学实验设备。然而由于网络通信带宽的存在,数据传输不可避免的存在延时、丢包和多包传输等问题,导致控制性能下降甚至使系统不稳定,所以针对基于网络的控制系统,必须采取有效的控制策略。本文主要针对网络控制系统中的时延补偿控制器的设计进行了研究,并进行了实时仿真和在线实验。首先回顾了从最初的计算机控制系统的引进到目前网络控制系统的发展过程,同时对网络控制系统中基本概念以及国内外基于网络控制的倒立摆系统的研究现状进行了综述。然后分析了产生网络时延的原因和类型；接着利用Matlab/TrueTime工具箱以一个典型的网络控制系统为例进行对比研究,分析了在不同的控制网络模型下的传输特性以及在同一种控制网络模型下的不同时延的输出响应特性；仿真结果表明了时延会大大降低控制系统的性能,甚至使之不稳定。接着搭建了基于NetCon系统的倒立摆网络控制平台。通过系统辨识方法得到倒立摆模型,通过NetCon控制器实现本地离线仿真控制；进而建立基于倒立摆实物的本地实时控制系统；并以此为基础,利用两台NetCon网络控制器建立了一个实际网络控制系统,由于NetCon系统对采样时间的精确度不理想,只能控制慢变过程,所以仅对倒立摆小车的位移进行控制；通过离线仿真和在线实验,表明必须要采取有效措施才能保证系统的稳定性。最后利用基于模型参数的广义预测控制(GPC)方法,提出一种网络预测控制策略,实现了在网络环境下对倒立摆小车位移的控制；通过实时仿真和在线试验,验证了控制策略的有效性。相对于没有采用预测的控制方法,GPC减弱了网络时延对倒立摆小车位移的影响,优化了控制效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 NCS概述
• 1.2.1 网络控制系统
• 1.2.2 NCS中存在的问题
• 1.3 基于网络的倒立摆国内外研究现状
• 1.4 本文的主要工作
• 1.5 本章小结
• 第2章 网络时延特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 Truetime简介以及安装
• 2.3 网络控制系统的时延分析
• 2.3.1 网络时延的产生
• 2.3.2 网络时延的组成
• 2.3.3 NCS时延仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于倒立摆的NCS实验平台的建立
• 3.1 引言
• 3.2 NetCon系统
• 3.3 本地控制系统
• 3.3.1 倒立摆模型的建立
• 3.3.2 本地实时控制
• 3.4 NCS实验平台的建立
• 3.4.1 离线仿真实验
• 3.4.2 网络化实时仿真
• 3.4.3 在线实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 网络控制系统控制策略研究
• 4.1 引言
• 4.2 补偿算法设计
• 4.2.1 预测模型
• 4.2.2 目标函数
• 4.2.3 丢番图方程求解
• 4.2.4 滚动优化
• 4.2.5 GPC算法的设计
• 4.3 实时仿真与在线实验
• 4.3.1 实时仿真
• 4.3.2 在线实验
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 研究工作展望
• 附录
• 1 TrueTime网络控制系统部分程序
• 2 GPC部分程序
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文及研究成果
• 1 发表的学术论文
• 2 研究成果
• 致谢