網絡控制系統(tǒng)時延補償與調度方法的研究.pdf

1、隨著計算機、網絡、通信技術和控制理論的發(fā)展，網絡控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領域得到越來越廣泛的應用，由于閉環(huán)控制中引入了網絡，不可避免地在控制系統(tǒng)中引起網絡誘導時延、數(shù)據包丟失等問題，使得傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法難以直接應用于網絡控制系統(tǒng)，迫切需要研究如何將現(xiàn)有的控制方法應用于網絡控制系統(tǒng)中，以及探索研究新的基于網絡的控制理論與方法。同時，受網絡帶寬資源有限的限制，如何采用合適的調度方法合理分配網絡資源對提高網絡利用率以及控制系統(tǒng)的性能也至關重要

2、。因此，網絡控制系統(tǒng)的性能不僅取決于控制策略的優(yōu)劣，同時還依賴于網絡中信息調度策略的優(yōu)劣，兩者是相關聯(lián)的、缺一不可的。為此，本文主要進行了如下幾方面的研究:
　　對網絡控制系統(tǒng)時延的組成與特性進行了分析，通過仿真討論了時延對網絡控制系統(tǒng)性能的影響，開發(fā)了一套時延測試軟件，對大量的實測數(shù)據樣本進行分析，同時對時延樣本通過拉伊達準則與一維插值進行預處理，使得處理后的時延數(shù)據具有較好的可靠性。
　　針對網絡時延的不確定性，提出了針

3、對小樣本數(shù)據的基于EMD與LSSVM的網絡控制系統(tǒng)時延預測方法與針對大樣本數(shù)據的基于Lyapunov-Elman的時延預測方法，仿真實驗表明兩種時延預測方法具有較高的預測精度與預測效果，為時延補償打下了良好的基礎。
　　廣義預測控制算法具有自適應性、魯棒性強的特點，并且有多步預測的功能，本文將針對傳統(tǒng)廣義預測控制需要求解丟番圖方程和矩陣逆運算而降低了算法的運算速度，給出一種結合時延預測的快速隱式廣義預測控制時延補償方法，該方法避免

4、了丟番圖方程的求解和矩陣逆運算，提高了算法的運算速度，仿真表明該方法對時延具有很好的補償效果;同時針對非線性被控對象，提出一種利用改進自由搜索算法(improved freesearch，IFS)優(yōu)化的非線性系統(tǒng)最小二乘支持向量機預測控制時延補償方法，該方法使用最小二乘支持向量機(LSSVM)建立非線性系統(tǒng)模型并預測系統(tǒng)的輸出值，通過輸出反饋和偏差校正減少預測誤差，由IFS優(yōu)化算法滾動優(yōu)化獲得非線性系統(tǒng)的控制量。該方法對于非線性系統(tǒng)可以

5、設計出有效的預測控制器。通過對單變量多變量非線性系統(tǒng)進行仿真，證明了該預測控制方法是有效的，且具有良好的自適應能力和魯棒性。同時將該方法應用于具有隨機時延的網絡控制系統(tǒng)中，取得了良好的補償效果。
　　針對帶寬受限的多回路網絡控制系統(tǒng)提出一種模糊反饋優(yōu)先級調度方法。首先利用二次型函數(shù)映射的動態(tài)權重調整策略對控制回路賦予不同的權重系數(shù)，繼而考慮控制系統(tǒng)輸出的誤差和誤差變化率，提出了改進的基于模糊反饋的優(yōu)先級調度配置策略，設計了模糊反饋

6、調度器，對各控制回路的優(yōu)先級進行動態(tài)的調整。最后通過True Time工具箱建立了動態(tài)權重調整的多回路網絡控制系統(tǒng)的模糊反饋優(yōu)先級調度仿真模型，并將該方法同EDF與權重固定的模糊反饋優(yōu)先級調度方法進行對比。仿真結果表明在相同的網絡帶寬占用的情況下，該方法具有更小的網絡時延，且具有較好的性能。
　　提出了一種改進的變采樣周期策略。根據控制回路的輸出誤差，動態(tài)調整每個回路的權重值，同時利用最小二乘支持向量機算法預測數(shù)據傳輸時間，不斷地

7、改變系統(tǒng)的采樣周期，優(yōu)化網絡控制系統(tǒng)的性能。仿真實驗結果表明，該方法可以使網絡利用率快速收斂到設定值。相對固定權重的變采樣周期算法，該方法提高了控制回路的輸出響應性能，降低控制回路的IAE。同時結合上述模糊反饋優(yōu)先級配置策略，實現(xiàn)了基于變采樣周期和模糊反饋優(yōu)先級的調度方法，同時通過仿真驗證了調度方法的有效性。
　　從基于工業(yè)以太網的網絡控制系統(tǒng)的整體延遲分析入手，研究了工業(yè)以太網時延，并確定交換式以太網作為主要研究對象。針對采用I

8、EEE802.1p優(yōu)先權調度的交換機內部排隊延遲，提出了調度改進構想并給出了一種實現(xiàn)方案，構建了一個典型的樹形拓撲交換式以太網模型，計算了調度方法改進前后周期性實時數(shù)據幀在各個傳輸環(huán)節(jié)的最大延遲，同時，推導了調度改進方案應滿足的基本條件。最后，采用了網絡演算技術和OPNET仿真兩種方法，驗證了IEEE802.1p優(yōu)先權調度改進方案對減小交換式以太網延遲上界的可行性和有效性。通過網絡演算和OPNET仿真的結果表明了對IEEE802.1p優(yōu)