网络控制系统的研究与平台建设

在反馈控制回路中，通过实时网络封闭的控制系统称之为网络控制系统。网络控制系统综合了计算机网络，计算机通信和自动控制等多方面技术，具有很多优点，近几年来在工业控制领域、楼宇自动化和家庭自动化等方面得到了广泛的应用。同时，网络控制系统也带来了许多问题，包括时延问题、数据包丢失问题、单包多包问题等，所以其理论和实际应用研究都有重要的意义，是当前研究热点之一。本文对网络控制系统的调度和丢包问题做出深入的研究，并实现了简单的实验平台E-NCS。本文的主要工作内容有以下几个方面： 1．介绍了网络控制系统的产生原因、概念、优点。分析了它存在的问题。从控制问题与网络、网络设备问题这两个方面综述了当前网络控制系统的研究方向与方法。概括了本文的主要研究工作和文章结构。 2．针对网络控制系统的动态性，在系统不可调度情况下，通过周期修改方法使其可调度。该方法提高了系统在动态变化时的整体性能，保证高优先级回路系统性能的同时，防止了低优先级回路性能的大幅下降。并利用了一种简单的PID算法来补偿这种周期变化带来的性能下降。然后采用了基于Matlab的True Time实时模块对这个问题进行了仿真。 3．针对网络控制系统中的数据包丢失问题，提出了时延情况下，丢包网络控制系统的模型。在模型建立过程中，本文将丢包问题视为变采样周期过程，以此建立统一模型，给系统设计带来很大的方便。文中给出了丢包网络控制系统的优化反馈设计和优化状态估计，并指出了这些设计与固定采样周期设计之间的区别。讨论了在实际实施这个过程中需要的时间同步技术。仿真说明变采样周期控制器的设计。最后推广这个模型在网络控制系统中的应用。 4．针对网络控制系统实际网络环境实验平台的缺乏，本文建立了基于Ethernet的实验平台E-NCS。描述了其软硬件结构，分解了E-NCS中的控制模块，带宽管理模块，网络监视模块等各个模块的设计方法与实现技术。E-NCS的灵活性，可扩展性，可操作性为今后的网络控制系统研究打下了一定的基础。