网络环境下的倒立摆控制研究

论文摘要

网络控制系统（NCS）是复杂控制系统和远程控制系统的客观需求,与传统的点对点式的控制系统相比,NCS具有信息资源能够共享、连线少、易于系统扩展和维护、可靠性和灵活性高等优点。但同时由于网络通信带宽的限制,数据传输不可避免的存在延时、丢包、多包传输等问题,导致网络性能下降甚至不稳定。倒立摆系统的控制研究长期以来被认为是控制理论及其应用领域里引起人们极大兴趣的问题。它是检验各种新的控制理论和方法的有效性的著名实验装置。作为一个高阶、非线性不稳定系统,倒立摆的稳定控制相当困难,对该领域的学者来说是一个极具挑战性的难题。本论文主要涉及以下几方面内容:首先,本文对网络控制系统进行了介绍,指明了网络控制系统的特点以及今后研究的方向。其次,本文建立了倒立摆系统的数学模型,接着介绍一种在MATLAB环境下的实时控制系统的TrueTime仿真工具箱,以倒立摆系统为被控对象,来研究网络控制系统中各种情况如干扰节点带宽、网络传输速率、网络延迟等对系统控制性能的影响。接着,用经典PID控制以及模糊控制来进行对倒立摆的控制,并研究在网络延迟下的控制效果。从SIMULINK的仿真结果中可以看出,当时延增大时该方法无法对倒立摆系统进行稳定控制。为了更好的解决网络控制系统中的时延问题,提出了一种控制方法:模糊-预测函数控制。该方法将模糊控制与预测函数控制相结合,并用TrueTime在网络环境下对倒立摆系统进行了仿真,并对比模糊控制的控制效果,证实了此方法比模糊控制效果更好。分析和实例证实了该仿真工具箱能够仿真多任务实时控制系统,以及在研究实时控制系统的方便性和灵活性。最后,本文结合CAN总线的特性,给出了网络控制倒立摆系统的实验平台设计方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 诸论
• 1.1 研究的目的与选题意义
• 1.2 本课题研究内容
• 2 网络控制系统
• 2.1 网络控制系统的研究背景
• 2.2 国内外研究概况
• 2.3 网络控制系统的特点
• 2.4 网络调度
• 2.5 网络控制系统工作模式
• 2.6 网络控制系统结构
• 2.7 网络控制系统的仿真研究
• 3 倒立摆系统简介
• 3.1 倒立摆系统的研究意义
• 3.2 倒立摆系统的控制算法
• 3.2.1 经典控制理论的方法
• 3.2.2 现代控制理论的方法
• 3.2.3 智能控制理论的方法
• 3.2.4 用模糊控制理论控制倒立摆
• 3.2.5 用神经网络控制理论控制倒立摆
• 3.2.6 模糊控制与神经网络控制相结合控制倒立摆
• 3.2.7 神经网络与遗传算法相结合控制倒立摆
• 3.2.8 神经网络与预测控制算法相结合控制倒立摆
• 3.2.9 用拟人智能控制的方法控制倒立摆
• 3.2.10 用云模型控制倒立摆
• 3.3 一级倒立摆数学模型的建立及其性能分析
• 3.3.1 一级倒立摆的数学模型
• 3.3.2 一级倒立摆的性能分析
• 4 TRUETIME 工具箱
• 4.1 TRUETIME工具箱简介
• 4.2 TRUETIME工具箱主要模块
• 4.3 网络控制系统中的一些概念
• 4.4 初始化
• 4.5 TRUETIME 的不足
• 4.6 TRUETIME 仿真工具箱应用实例
• 4.6.1 TrueTime 仿真工具箱应用
• 4.6.2 各个节点简介
• 4.6.3 仿真结果
• 5 模糊控制
• 5.1 模糊控制简介
• 5.1.1 模糊控制系统
• 5.1.2 模糊控制器的维数
• 5.1.3 精确量的模糊化
• 5.1.4 模糊控制规则的设计
• 5.1.5 模糊量的去模糊化
• 5.1.6 模糊控制系统的特点
• 5.1.7 模糊控制应用研究现状
• 5.1.8 模糊控制研究方向展望
• 5.2 倒立摆在网络环境下的模糊控制仿真
• 5.2.1 倒立摆状态变量的处理
• 5.2.2 模糊规则的确定
• 5.2.3 用TrueTime 搭建基于倒立摆的网络控制系统
• r和R_r 的调整对系统的影响'>5.2.4 Q_r和R_r的调整对系统的影响
• 5.2.5 模糊控制对于网络延时的控制效果
• 6 预测函数控制的基本原理与技术
• 6.1 引言
• 6.2 预测函数控制基本原理及算法研究
• 6.2.1 基函数的选择
• 6.2.2 参考轨迹
• 6.2.3 预测模型
• 6.2.4 误差补偿
• 6.2.5 过程预测输出
• 6.2.6 优化目标函数及控制量的计算方程
• 6.2.7 结论
• 6.3 预测函数控制的发展展望
• 6.4 模糊-预测函数模型的设计
• 6.5 模糊-预测函数控制在倒立摆系统的使用实例
• 7 基于CAN 总线的网络控制系统的结构和硬件组成
• 7.1 CAN 总线技术简介
• 7.1.1 CAN 总线技术的应用现状
• 7.1.2 概念
• 7.1.3 CAN 总线的特点
• 7.2 被控对象
• 7.3 PCI 总线的数据采集卡
• 7.4 CAN 总线网络控制系统硬件设计
• 7.6 实验平台软件总体设计
• 7.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学研究成果
• 致谢