网络控制系统的时延补偿算法研究

网络控制系统,简称为NCS(Networked Control System),是一种通过实时网络而构成闭环的特殊的分布式反馈控制系统。其中,控制器、传感器、执行器各节点通过一条共享的网络来交换信息。网络控制系统集成了计算机技术、通信技术和控制理论,是一门新兴的技术并且正成为现代工业生产的主要发展方向。它具有信息资源能够共享、降低系统成本、使用灵活、易于维护等优点,但同时网络传输也会产生时间延迟、数据包丢失等问题。这不仅给NCS的分析带来了困难,而且使得许多传统的控制理论不能直接应用到NCS的设计当中。 本文首先研究了网络控制系统的建模问题,给出了各种条件下NCS的数学模型。然后选取时延小于一个采样周期、单包传输无数据包丢失情况下的数学模型作为主要的研究对象。 在已知系统模型的基础上,讨论了时间延迟对NCS控制性能的影响。随着时延的增加,系统的控制性能逐渐恶化,当时延增加到一定值时,系统就会变得不稳定。为了改善NCS的控制性能,本文讨论了一种基于时戳的时延补偿算法。该算法只能对传感器到控制器之间的时延进行补偿,但是由于在计算控制信号时控制器并不能精确地知道控制信号从控制器传输到执行器所经过的时间,因此,它还不能做到对时延的完全补偿。 考虑到时间延迟的随机性,本文把随机最优控制(即LQG控制)理论应用到网络控制系统当中。通过建立增广系统,我们使用贝尔曼动态规划法推导出了NCS的随机最优状态反馈表达式,通过仿真实验对该算法的有效性进行了验证。 最后,以民用以太网为例,设计了NCS实时仿真平台。该仿真平台把实际网络引入到软件仿真当中,既能充分体现NCS的特性,又易于实现。接着,在此平台上我们进行了时延测量实验并完成了控制系统的实时仿真。