基于網(wǎng)絡整定的控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡誘導延時的分析及解決方法研究.pdf

1、隨著信息技術的不斷成熟與發(fā)展，通信網(wǎng)絡作為傳輸媒介被廣泛用于各種控制系統(tǒng)之中，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，控制回路通過現(xiàn)場總線為代表的各種專用控制網(wǎng)絡形成閉環(huán)。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，為自動化系統(tǒng)提供了一種先進、高效的底層通信與控制手段。同時，隨著被控對象復雜度以及控制要求的不斷提高，許多學者提出了各種類型的先進控制算法，其中包含針對被控對象的復雜辨識算法和針對控制器的參數(shù)整定算法，并利用參數(shù)估計、辨識獲得的結果完成控制器參數(shù)的在線修正，這種方法

2、在學術界獲得了很高程度的認同。但由于底層控制器的計算資源有限，難以完成復雜的辨識和整定算法，這是先進控制算法在實際應用中的瓶頸之一。 于是，本文在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡控制的基礎上，創(chuàng)新地提出了基于網(wǎng)絡整定的控制系統(tǒng)的思想，即利用通信網(wǎng)絡上遠程整定單元的計算資源完成復雜的整定算法，并實現(xiàn)本地控制器參數(shù)的在線修正，從而實現(xiàn)整定回路的網(wǎng)絡閉環(huán)。由此，本地控制器得以可靠地完成簡單的控制任務，而復雜的參數(shù)估計、辨識任務則由連接于通信網(wǎng)絡之上的遠程整

3、定單元實現(xiàn)，這對解決先進控制的實際應用瓶頸具有重要的價值。 本文的主要目的是研究基于網(wǎng)絡整定的控制系統(tǒng)之中，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定現(xiàn)象對于辨識、整定算法和控制算法的影響，并進一步探索使用通信網(wǎng)絡對于系統(tǒng)控制性能和收斂性的影響，最后提出相應的解決方案來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及提高控制性能。具體研究成果如下： 首先，提出了基于網(wǎng)絡整定的控制系統(tǒng)的新概念。在此基礎上，從通信和控制角度研究了閉合其整定回路的通信網(wǎng)絡所存在的主要不確定現(xiàn)象—網(wǎng)

4、絡誘導延時的各種性質，分析了網(wǎng)絡誘導延時的組成成分和誘發(fā)延時的主要因素—通信協(xié)議和控制設備，為研究網(wǎng)絡誘導延時對于系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的影響提供基礎。此外，根據(jù)遠程整定單元對于通信網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸次序的敏感程度，把整定算法分為靜態(tài)和動態(tài)兩種類型分別進行研究。 第二，本文采用連接于通信網(wǎng)絡之上的遠程整定單元在線修正本地控制器的參數(shù)，提出并構建了采用靜態(tài)整定算法的基于網(wǎng)絡整定的類PD型模糊控制系統(tǒng)，其中本地控制器完成簡單的控制信號計算和輸

5、出，而參數(shù)整定過程在遠程整定單元中實現(xiàn)。針對整定回路中的網(wǎng)絡誘導延時，構建了由延時引發(fā)的性能下降函數(shù)，提出了定量分析延時對于系統(tǒng)控制品質影響的方法。另外，在性能下降函數(shù)的基礎上，提出并建立了最大可容許延時和最大性能下降的概念，為基于網(wǎng)絡整定的控制系統(tǒng)的分析與設計提供了一種簡單、可行的途徑。 第三，針對經(jīng)典的自適應控制系統(tǒng)包含內環(huán)和外環(huán)，借助通信網(wǎng)絡實現(xiàn)外環(huán)(整定回路)內的信息傳輸，使得辨識(參數(shù)估計)過程經(jīng)由通信網(wǎng)絡閉環(huán)，由此提

6、出并構建了一種采用動態(tài)整定(辨識)算法的網(wǎng)絡整定控制系統(tǒng)—基于網(wǎng)絡辨識的自適應控制系統(tǒng)，其中遠程整定單元(即辨識器或參數(shù)估計器)完成對象參數(shù)的辨識或估計，而本地控制器根據(jù)辨識獲得的參數(shù)產生控制信號。通過大量實驗表明，隨機時變的網(wǎng)絡誘導延時可能導致控制系統(tǒng)參數(shù)估計不收斂以致控制系統(tǒng)輸出不收斂。 第四，針對基于網(wǎng)絡辨識的自適應控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e序問題，提出了辨識器端和控制器端產生數(shù)據(jù)錯序的判斷方法，在此基礎之上利用時間標簽和緩沖

7、器技術提出了一種放大隨機時變延時至固定最大延時的解決方案(解決方案Ⅰ)和改進的緩沖器法(解決方案Ⅱ)，并在理論上嚴格證明了控制系統(tǒng)的輸出收斂性。隨后，針對通信品質和控制品質相互關聯(lián)的特點，在解決方案Ⅰ基礎之上，進一步提出了綜合考慮通信品質和控制品質的主動丟包法(解決方案Ⅲ)，提升了系統(tǒng)的控制品質和實用性，仿真結果也驗證了其有效性。 最后，在基于網(wǎng)絡辨識的自適應控制系統(tǒng)基礎之上，針對仿射非線性對象，進一步提出和構建了基于網(wǎng)絡辨識的