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网络控制系统的时延补偿与控制器设计.doc
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网络控制系统的时延补偿与控制器设计.doc
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摘 要
随着计算机技术的开展,控制系统与网络通信系统的集成成为控制网络技术研
究的热点,为此提出了网络控制系统〔〕。本文介绍了网络控制系统的工业背
景和研究现状,重点介绍了网络时延问题的研究进展。分析了网络控制系统的时延
产生原因及特性,根据采样时间的不同和驱动方式的不同进展了建模分析。根据不
同的模型分析了固定时延、随机时延的补偿控制器设计。本文重点介绍了针对不确
定时延采用控制器的设计和仿真研究。在最后,介绍了一种环境
下的实时控制系统仿真工具箱,给出了具有时延特征的网络控制系统的控
制仿真结果。
关键词:网络控制系统,网络时延,时延补偿,Fuzzy-PID 控制器
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KEY WORDS : Networked control systems, Network-induced
delay, Delay pensation, Fuzzy-PID controller
- word.zl-
- -
目录
中文摘要
英文摘要
第一章 绪 论((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((2
1.1 网络控制系统的开展与根本概念 1
1.1.1 计算机控制系统的开展....................................................................................1
1.1.2 网络控制系统的描述........................................................................................3
1.2 网络控制系统时延研究现状 4
1.2.1NCS 的数学模型的建立....................................................................................4
1.2.2NCS 控制器设计方法.........................................................................................5
1.3 本文研究的出发点与主要工作 6
1.3.1 目的和意义........................................................................................................6
1.3.2 研究内容.............................................................................................................7
第二章 具有网络诱导时延的 分析(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((3
2.1 引言 8
2.2 网络控制系统的采样技术 9
2.2.1 同步采样和非同步采样....................................................................................9
2.2.2 时间驱动方式和事件驱动方式........................................................................9
2.2.3 多速率采样.......................................................................................................11
2.3 控制网络与网络控制系统的时延分析 12
2.3.1 控制网络..........................................................................................................12
2.3.2 网络控制系统的时延分析..............................................................................15
2.4 小结 16
第三章 具有网络诱导时延的 建模与控制(((((((((((((((((((((((((((((((((24
3.1 引言 17
3.2 具有网络诱导时延的 NCS 的数学建模 17
3.3 具有固定时延的 NCS 的控制器设计 19
3.4 具有随机时延的 NCS 的控制器设计 21
3.4.1 基于时延统计规律的随机控制器设计..........................................................21
3.4.2 基于时变、有界时延的随机时延的补偿.....................................................22
3.5 小结 25
第四章 网络控制器设计((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((56
4.1 引言 25
4.2 模糊控制理论根底 25
4.2.1 模糊控制系统的组成......................................................................................26
4.2.2 模糊控制器原理..............................................................................................26
4.2.3 模糊控制器的输入输出变量..........................................................................29
4.2.4 模糊控制器设计的根本方法..........................................................................29
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4.3 带 PID 的网络化控制系统 29
4.4 模糊补偿 PID 控制器设计 30
4.5fuzzy-PID 复合控制器设计 31
4.6 小结 32
第五章基于 7% ' 的 仿真环境研究(((((((((((((((((((((((88
5.1 引言 33
5.2 Truetime 工具箱构造与功能 33
5.2.1 计算机模块.......................................................................................................34
5.2.2 网络模块...........................................................................................................35
5.3 初始化 36
5.4 网络控制系统仿真研究 36
5.5 仿真说明 38
5.5.1PID 控制器设计仿真........................................................................................38
5.5.2Fuzzy-PID 控制系统设计仿真........................................................................41
5.6 小结 42
第六章 总结与展望((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((98
6.1 总结 43
6.2 研究展望 44
参考文献(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((99
致((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 9:
在学期间发表的学术论文和参加科研情况(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((94
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- -
第一章 绪 论
2(2网络控制系统的开展与根本概念
随着控制、计算机、通信网络等技术的开展,信息交换的领域正在迅速覆盖从
工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次,覆盖从工段、车间、工厂、企业乃至
世界各地的市场,因此迫切要求工业自动化水平也提高到了一个崭新的高度。 从历
史上看,传统控制系统的通讯方式是点对点的,包括早期的 ,目前这种方式已
经越来越不能适应某些新的需求,比方模块化、集散分布、综合诊断、快捷方便的
维护及低本钱化等。从整体上看,计算机控制系统己呈现出向网络化、集成化、节
点智能化、分布化的开展趋势。现场总线控制系统和工业以太网,顺应了这一趋势,
是完全网络化、分布化的控制系统。
2(2(2 计算机控制系统的开展
计算机控制系统开展至今先后主要经历了以下几个阶段:传统的集中式控制系
统、集散控制系统〔〕、现场总线控制系统〔〕、以及基于以太网的控制
系统的广泛研究。
传统的集中式控制系统一般采用一个中央控制单元〔;〕完成控制计算、信
息处理等所有工作,控制器和对象之间的连接采用的是点对点的连接方式,其典型
构造如图 22。
图 22集中式控制系统示意图
随着现场采集信息量的增加,集中式控制对中央控制单元的硬件性能要求越来
越 高 , 软 件 编 程 也 越 来 越 复 杂 。因 此 , 产 生 了 集散 式 控 制 系 统 〔 %
%,〕来代替集中式控制系统,如图 25 所示。
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- -
图 25 示意图
,又称分布或分散控制系统,它以微处理机为核心,实现地理上和功能上
的控制,同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来,进展集中的监视和
操作,并实现复杂的控制和优化。 的设计原那么是分散控制,集中操作,分级
管理,分而自治和综合协调。对各个现场设备的任务由现场级的控制单元〔,,单
片机等〕完成,总体的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完成,从而
实现了控制功能和管理信息的别离。虽然提高了系统的可靠性和灵活性,但集散控
制系统和集中式控制系统都有一些共同的缺点,就是随着现场设备的增加,系统复
杂,本钱大大提高,以及系统的抗干扰性、灵活性不够、扩展不方便等
<2=
。为了从根
本上解 决 这些问题 , 新型的分布 式控制系统 ——现 场 总线控制 系统 〔 %
%%,〕应运而生,如图 28 所示。
图 28 示意图
目前现场总线的主要种类有: 基金会现场总线 ;*% ;;
7;。
与传统的 相比, 具有如下一些技术特点
<5=
:
〔2〕 是现场通信网络:把通信线路一直延伸到生产现场中的生产设备,构
成用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互联的现场通信网络。实现了全
数字化传输,极大地提高了信号转换的精度和可靠性,有效地防止了模拟信号在传
输过程中存在的信号衰减、精度下降和信号干扰等问题。
〔5〕 能进展现场设备互连:传感器、变送器、执行器的等设备在现场总线
系统中已成为由微处理机为控制核心的智能设备,可以通过一对双绞线、同轴电缆、
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gjmm89
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