具有随机时延特性的网络控制系统建模与仿真研究

论文摘要

本文介绍了国内外学者对网络控制系统（NCS:Networked Control Systems）的研究状况,以及NCS系统的结构、特点和网络时延的产生机理。运用Matlab环境下的Truetime工具箱,利用一个PID控制的电机伺服系统作为实例,构建仿真模型,研究了网络时延对NCS系统稳定性的影响,验证了随网络时延的增加,NCS系统的稳定性、收敛性将显著下降的结论。接着,结合文献资料,对具有确定性短时延的NCS系统的离散数学模型,以及具有随机短时延的NCS系统的连续数学模型,进行了系统仿真,验证了模型的可靠性与稳定性。由于目前针对NCS系统的研究难点和热点,是如何采用离散数学模型对其进行分析,所以本文的研究工作重点是:分别针对短时延和长时延条件下的NCS系统,运用离散化的数学方法进行系统建模和仿真。针对短时延情况下的NCS系统,在假设传感器为时间驱动,控制器和执行器为时间驱动的条件下,运用基于离散化数学模型的建模方法对NCS系统进行建模,利用实例在Matlab环境下搭建了系统的仿真模型,得到了系统的输入输出曲线,验证了推导过程的准确性和模型的有效性。对具有随机长时延的NCS系统建模与仿真研究过程中,在假设传感器为时间驱动,控制器和执行器均为事件驱动的条件下,将模糊控制理论与基于离散数学模型的建模方法相结合,提出了基于Takagi-Sugeno模糊控制理论的离散NCS系统模型,并设计了一个与该NCS系统型式相似的的状态观测器,将其设置在控制器端对网络时延进行补偿。然后通过实例利用Truetime工具箱搭建了系统的仿真模型,分别对随机长时延条件下的传统NCS系统模型、无状态观测器的T-S NCS系统模型、含状态观测器的T-S NCS系统模型进行了仿真研究,得到了各个系统的输入输出曲线,论证了基于T-S模糊控制理论的离散数学模型相对于传统模型的优越性,以及在控制器端加入的状态观测器的有效性。最后,对全文的工作进行了总结,并对NCS系统的未来研究方向和发展趋势进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.3 本文的主要研究工作及章节内容安排
• 第二章 网络控制系统（NCS）时延分析
• 2.1 网络控制系统的结构与特点
• 2.1.1 网络控制系统的结构
• 2.1.2 网络控制系统的特点
• 2.2 网络控制系统时延产生机理及影响
• 2.3 仿真工具Truetime 简介
• 2.4 实例仿真
• 2.5 本章小结
• 第三章 具有随机时延连续时间NCS 系统模型分析与仿真
• 3.1 具有确定性时延的NCS 系统模型及仿真
• 3.1.1 确定性时延的NCS 系统模型
• 3.1.2 具有确定性时延的NCS 系统仿真实例
• 3.2 具有随机时延的连续时间NCS 系统模型
• 3.3 具有随机时延的连续时间NCS 系统稳定性分析与仿真
• 3.3.1 具有随机时延的连续时间NCS 系统稳定性分析
• 3.3.2 具有随机时延的连续时间NCS 系统仿真实例
• 3.4 本章小结
• 第四章 具有随机短时延离散时间NCS 系统建模与仿真
• 4.1 短时延离散时间NCS 系统建模
• 4.2 短时延离散时间NCS 系统的稳定性分析
• 4.3 具有短时延离散时间NCS 系统仿真实例
• 4.4 本章小结
• 第五章 具有随机长时延离散时间NCS 系统建模与仿真
• 5.1 Takagi-Sugeno 模糊模型基本原理
• 5.2 基于T-S 模糊模型的长时延离散时间NCS 系统建模
• 5.3 基于T-S 模型的网络控制系统状态观测器的设计
• 5.4 具有长时延离散时间NCS 系统仿真实例
• 5.5 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间参与的项目
• 附录 B 攻读学位期间发表的学术论文
• 详细摘要