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具有时延与丢包的网络控制系统研究

作　者: 尹峥
导　师: 时维国
学　校: 大连交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 网络控制系统 网络时延 数据包丢失 异步动态系统 鲁棒容错控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着控制技术,计算机技术和网络技术的高速发展,传统的点对点控制系统已经无法满足当今复杂控制的要求,逐渐被网络控制系统(Networked Control System, NCS)所取代。网络控制系统是由通信网络将传感器、控制器和执行器连接起来构成闭环的反馈控制系统,与传统的控制系统相比具有不受地理空间束缚,布线简单、维护便捷且成本低廉等优点。但是带来便利的同时也带来了一些新的问题。在NCS中数据的传输都经由网络,而网络的带宽有限,当有大量数据发生传送时,很容易造成数据冲突,碰撞和拥堵。这时不可避免的带来诸如网络诱导时延、数据包的丢失和时序错乱,这些问题会降低系统的性能,严重时系统将变得不稳定。由此可见,研究网络诱导时延和数据包的丢失是十分必要的。本文对网路控制系统的发展和研究现状进行归纳,对其中存在的基本问题进行了较为详尽的介绍。分析NCS中网络诱导时延和数据包丢失产生的原因和特性。本文针对具有短时延和数据包丢失同时存在的NCS,其丢包过程视为以一定速率切换的开关,将系统建模为异步动态系统。构造Lyapunov函数,通过线性矩阵不等式理论给出系统指数稳定的充分条件,以及状态反馈控制器,输出反馈控制器和状态观测器的参数。本文针对具有不确定时延和丢包的NCS,其执行器发生故障不能正常工作的情况,研究其鲁棒容错控制的问题。基于异步动态系统理论,Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法,给出系统渐进稳定的充分条件。同时设计出鲁棒容错控制器,结合数值实例,给出相应的仿真结果,仿真结果表明了该方法的合理性和正确性。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
第一章 绪论  9-21
  1.1 问题研究的背景意义及控制系统的发展  9-13
  1.2 网络控制系统中的基本问题  13-16
    1.2.1 网络诱导时延  13-14
    1.2.2 单包传输和多包传输  14
    1.2.3 数据包丢失  14-15
    1.2.4 时序错乱  15
    1.2.5 网络调度  15
    1.2.6 节点的驱动方式  15-16
  1.3 鲁棒容错控制理论概述  16
  1.4 网络控制系统的研究现状  16-19
    1.4.1 网络诱导时延的现状  17-18
    1.4.2 数据包丢失的现状  18-19
    1.4.3 网络调度的现状  19
  1.5 本文的主要工作  19-21
第二章 预备知识  21-27
  2.1 Lyapunov稳定性概念  21-22
  2.2 线性矩阵不等式  22-25
  2.3 异步动态系统  25-26
  2.4 MATLAB仿真软件  26-27
第三章 网络控制系统的时延和丢包特性分析  27-35
  3.1 不同类型控制网络的比较  27-29
    3.1.1 以太网  27
    3.1.2 设备网  27-28
    3.1.3 控制网  28
    3.1.4 实时以太网  28-29
  3.2 网络控制系统的时延分析  29-32
    3.2.1 网络时延产生的原因  29-30
    3.2.2 网络时延的组成  30-31
    3.2.3 不同节点驱动方式时NCS的时延特性  31-32
  3.3 网络控制系统的丢包特性分析  32-34
  3.4 目前解决网络丢包的策略与方法  34
    3.4.1 抑制丢包的产生  34
    3.4.2 修复丢失的数据包  34
  3.5 数据包丢失对系统稳定性的影响  34
  本章小结  34-35
第四章 具有数据包丢失和时延的网络系统的稳定性分析  35-53
  4.1 系统建模  35-37
  4.2 状态反馈控制器设计  37-41
  4.3 输出反馈控制器设计  41-46
  4.4 状态观测器设计  46-51
  4.5 算例仿真  51-52
  本章小结  52-53
第五章 具有数据包丢失和时延的网络控制系统鲁棒容错控制  53-69
  5.1 引言  53
  5.2 具有不确定时延的网络控制系统鲁棒容错控制  53-60
    5.2.1 问题描述  53-55
    5.2.2 具有执行器失效故障的网络控制系统鲁棒容错控制  55-58
    5.2.3 仿真实例  58-60
  5.3 具有不确定时延和丢包的网络控制系统鲁棒容错控制  60-68
    5.3.1 问题描述  60-62
    5.3.2 具有执行器失效故障的网络控制系统鲁棒容错控制  62-66
    5.3.3 仿真实例  66-68
  本章小结  68-69
第六章 总结与展望  69-71
  6.1 本文主要工作  69
  6.2 展望  69-71
参考文献  71-75
攻读硕士学位期间发表的学术论文  75-76
致谢  76

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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