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网络化预测控制系统的设计与实现
其他题名Design and implementation of networked predictive control systems
董哲
学位类型工学博士
导师刘国平
2009-05-29
学位授予单位中国科学院研究生院
学位授予地点中国科学院自动化研究所
学位专业控制理论与控制工程
关键词网络化控制系统 Markov延时 网络化预测控制 Networked Control Systems Markov Delay Networked Predictive Control
摘要网络化控制系统是控制理论、通信技术、计算机技术相互交叉、相互融合而产生的一个新的研究方向。本文以网络化预测控制方法为基础,着重研究网络化控制系统的设计与实现问题,基于实际的网络环境和实际的被控对象,分别针对线性模型与非线性模型,设计网络化控制系统的预测控制器和补偿器,并通过实验验证各种控制方法的性能。为了方便网络化控制系统的研究,本文基于三种典型的网络结构搭建了网络化控制研究平台,测试并分析了不同网络下的延时特性。对延时的建模进行了分析,并给出了延时Markov模型的计算方法。 针对线性系统的网络化控制问题,建立了网络化预测控制(NPC)系统的数学模型,针对该模型提出了网络化预测随机最优控制方法,针对状态反馈和输出反馈两种情况给出了随机最优预测控制序列的生成方法,为了适应某些延时较大的NCS系统的使用要求,提出了一种基于一步跳变Markov延时模型的简化算法。在无线局域网和无线城域网两种环境下基于直流电机进行了实验,并与随机最优控制及网络化预测控制的结果进行对比,验证了该方法的有效性。 针对非线性系统的网络化控制问题,提出了两种非线性预测控制方法。对于一类相对阶为1的系统,设计了基于强跟踪滤波器的非线性自适应网络化预测控制方法,并分别在水箱系统和直流电机系统上验证了其性能。对于一类关系度不确定的非线性系统,提出了基于连续模型的非线性模型预测控制,以球杆系统为实例进行了仿真实验。 本文使用NetCon系统作为NCS设计和实现的主要工具,研究了网络化控制系统的时间同步问题,基于NetCon系统设计开发了IEEE1588时间同步软件,该软件克服了IEEE1588时间同步方法对硬件的依赖性,采用纯软件的方式实现了IEEE1588的核心功能,通过实验证明了在公共网络环境中可以提供微秒级的同步精度,并与因特网中常用的NTP时间同步协议进行了性能对比。 为了方便网络化控制系统的设计与实现,在NetCon系统原有的网络化控制工具箱的基础上,扩展了网络应用工具箱,使用该工具箱可以方便地对网络性能进行测量和分析,实现网络化控制系统中的各种工作机制,该工具箱还提供了网络加解密,数据校验等传输保障手段,为网络化控制系统的设计和实现提供了一套便捷有效的工具。应用该工具,设计了网络控制系统的可靠性机制,该机制利用网络化控制系统的分别式特征,灵活的结构,可以使控制器在不同硬件设备上自主切换,该机制能够保证网络化控制系统在某个控制器受到攻击、连接中断、数据错乱、出现故障等情况下依然正常运行,并在水箱对象上验证了其功效。
其他摘要The feedback control systems where control loops are closed through real-time communication networks are called the networked control systems (NCSs). It is a new interdiscipline combined with control, communication and computer technologies. In this thesis, the design and implementation of NCSs is studied, based on the networked predictive control (NPC) method. The predictive controller and network delay compensator are designed for linear systems and nonlinear systems respectively. The methods are implemented and realized on actual IP network based control systems. The validity of the proposed methods is demonstrated by experimental results. For the investigation of the NCSs, a networked control system experiment platform is constructed which involves of three typical network structures, and the data transmission performance and characteristics of each structure are tested and evaluated. The network induced delay is modeled as a Markov chain, and the computation of the Markov transition matrix is analyzed. According to linear systems, a mathematical model of the networked predictive control scheme is established. Based on the model, a networked predictive stochastic optimal control method is presented, and the formulae of the predictive control sequence generator for both state feedback controller and output feedback controller are derived. For applications in NCSs with rapid sample time and comparatively long network induced delay, a simplified approach is proposed, based on a one-step jump Markov delay model. The DC motor control experiments are carried out via wireless local area networks and wireless metropolitan area networks. The performance of the proposed method is compared with the performance of the stochastic optimal control and networked predictive control. According to nonlinear systems, two types of nonlinear predictive control approaches are presented. For the first of systems—the relative degree of the systems is 1, the algorithm of a strong tracking filter along with the generic model controller is adopted, and a nonlinear adaptive networked predictive control scheme is designed. The validity of the proposed approach is illustrated by the networked dual-tank control experiment and networked DC motor control experiment. For the second type of systems with ill-defined relative degree, a networked nonlinear model predictive control scheme is presented, which can be used in the control of ball-beam systems. The emulational experiments ar...
馆藏号XWLW1357
其他标识符200618014628024
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/6181
专题毕业生_博士学位论文
推荐引用方式
GB/T 7714
董哲. 网络化预测控制系统的设计与实现[D]. 中国科学院自动化研究所. 中国科学院研究生院,2009.
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