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网络控制系统同步控制性能研究

作　者: 何芳
导　师: 佟为明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 网络控制系统同步控制性能评价指标网络时延同步误差补偿 Smith补偿 Fuzzy-PI双模控制
分类号: TP273
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

网络控制系统NCS（Networked Control System）是当前自动控制领域的研究热点之一。在实际应用中，很多控制系统都有同步控制设计要求。将网络控制技术引入这些控制系统，可使其具有NCS的优点。但因NCS存在网络时延，故控制系统的同步控制性能会有所下降，而且网络时延的不确定性也会加大NCS同步控制的难度。提高NCS的同步控制性能对保证NCS分布式网络节点工作的协调一致性、NCS控制决策的准确性以及系统的整体性能是非常重要的。因此，对NCS同步控制性能的研究具有重要的理论意义及应用价值。本文针对实际应用中存在的主要的两类同步控制要求，研究NCS的同步控制特性：一类是对NCS不同网络节点响应相同控制命令的时间同步要求，另一类是对NCS多个被控对象在相同时刻输出响应满足一定函数关系的量值同步要求。在对国内外关于NCS同步控制性能研究现状及进展进行分析和综述的基础上，从建立NCS同步控制性能评价指标入手，首先对NCS信息传输特性进行了分析和研究，然后在此基础上从网络节点工作方式、智能控制器设计等方面提出了提高NCS同步控制性能的多种控制策略，并进一步对NCS同步控制性能进行了仿真研究。目前虽然已有一些关于控制网络的性能评价指标，但还没有明确的针对NCS同步控制性能的评价指标。为解决NCS应用设计中不同类型的同步控制要求下的同步控制性能的评价问题，提出了NCS同步控制性能评价指标，包括输入同步、输出同步、被控对象输出响应同步等同步控制性能评价指标，讨论了控制系统、网络性能评价指标；充分考虑NCS同步控制性能评价指标、NCS稳定性要求及动态、稳态性能指标以及网络性能指标，提出了NCS同步控制性能的综合评价方法；对影响NCS同步控制性能的网络节点时钟、网络信息传输时延、网络节点工作方式、网络调度等主要因素进行了分析和研究。NCS的网络信息传输时间是影响其同步控制性能的重要因素之一。为研究NCS的网络信息传输时间特性，建立了包括一般意义上的NCS传输时间分析模型、时间补偿同步控制时间分析模型和等时同步模式下的时间模型在内的NCS网络信息传输时间分析模型。针对PROFIBUS NCS，在研究其令牌环网络访问机制的基础上，建立了相应的信息传输时间分析模型，搭建了PROFIBUS-DPNCS的实验平台，给出了网络信息传输时间实验测量方法，进行了NCS的网络信息传输时间特性实验研究，为研究NCS传输性能、计算节点同步控制误差、实现NCS网络时延预测补偿同步控制提供了参考数据。为实现NCS网络节点的同步输入或同步输出控制，对NCS网络节点工作方式提出了分组同步控制思想、改进的网络节点组合驱动方式、节点数据缓冲区时间补偿控制与设置节点的全局状态观测器等控制策略。研究表明，分组同步控制可以更有效地提高节点的同步控制性能；所提出的改进的网络节点组合驱动方式是一种兼顾了最小同步误差和最少网络时延的同步控制节点驱动方式；所提出的利用数据缓冲区对节点的同步控制信号响应时间补偿策略，可以减小因网络传输时间差异而造成的同步误差；建立在NCS控制器节点的全局状态观测器根据监测网络节点运行状态信息，计算出同步控制变量决定NCS节点的同步控制行为，从而提供了一种可行的、有实用价值的实现网络节点同步控制的应用程序设计思路。以对NCS信息传输特性的分析为基础，按照NCS的控制任务连续完成顺序，建立了基于Matlab/Simulink的模块化NCS仿真模型，并进行了NCS同步控制性能的仿真研究。提出了一种改进的Fuzzy和Smith补偿联合控制策略。仿真研究结果表明，该策略可以改善网络时延对NCS同步控制性能的影响。针对包含多个被控对象、且它们的输出响应之间有量值同步控制要求的NCS，提出了采用小步长信号给定、同步误差补偿控制、Fuzzy-PI双模控制等组合同步控制策略。仿真研究结果表明，采用同步误差补偿控制可有效地减小被控对象输出响应同步误差，采用小步长信号给定和Fuzzy-PI双模控制可以有效地解决动态过程被控对象输出响应同步误差较大问题。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-33
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  15-17
  1.2 网络控制系统研究概况  17-22
    1.2.1 网络控制系统的结构  17-18
    1.2.2 几种主流工业控制网络  18-20
    1.2.3 网络控制系统的基本问题  20-22
  1.3 网络控制系统同步控制研究现状  22-31
    1.3.1 控制网络同步机制  22-25
    1.3.2 同步控制技术  25-29
    1.3.3 同步控制性能仿真  29-31
  1.4 本文的主要研究内容  31-33
第2章网络控制系统同步控制性能评价方法  33-53
  2.1 引言  33
  2.2 网络控制系统同步控制要求  33-35
    2.2.1 网络节点的时间同步控制要求  33-34
    2.2.2 系统输出响应的量值同步控制要求  34-35
  2.3 网络控制系统同步控制概念  35-36
  2.4 网络控制系统同步控制性能评价  36-45
    2.4.1 输入同步控制性能评价指标  37-38
    2.4.2 输出同步控制性能评价指标  38-39
    2.4.3 被控对象的输出响应同步控制性能评价指标  39-40
    2.4.4 控制系统的基本性能评价指标  40-42
    2.4.5 网络性能的评价指标  42-43
    2.4.6 同步控制性能的综合评价方法  43-45
  2.5 影响同步控制性能的主要因素  45-52
    2.5.1 网络节点时钟  45-47
    2.5.2 网络传输时延  47-48
    2.5.3 网络节点工作方式  48-50
    2.5.4 网络调度算法  50-52
  2.6 本章小结  52-53
第3章网络控制系统信息传输时间特性分析  53-80
  3.1 引言  53
  3.2 网络控制系统的信息传输  53-60
    3.2.1 信息传输过程分析  53-56
    3.2.2 网络控制系统的时延分析  56-59
    3.2.3 网络控制系统测控处理时间  59-60
  3.3 同步控制信息传输时间分析模型  60-64
    3.3.1 时间补偿同步控制时间分析模型  60-62
    3.3.2 等时同步模式下的时间模型  62-64
  3.4 网络时延与同步控制性能的关系  64-66
    3.4.1 网络时延对系统性能的影响  64-65
    3.4.2 网络时延对同步控制误差的影响  65
    3.4.3 同步控制性能与系统的实时性要求  65-66
  3.5 PROFIBUS 网络控制系统信息传输过程分析  66-78
    3.5.1 PROFIBUS 总线访问协议  66-67
    3.5.2 目标令牌循环时间  67-69
    3.5.3 PROFIBUS 网络控制系统测控处理时间  69-71
    3.5.4 PROFIBUS 网络控制系统时间分析模型  71-74
    3.5.5 NCS 信息传输特性实验研究  74-78
  3.6 本章小结  78-80
第4章网络节点的工作方式及其同步控制策略  80-105
  4.1 引言  80
  4.2 节点的分组同步控制  80-83
    4.2.1 同步控制分组的原则和意义  80-81
    4.2.2 同步控制组的工作模式  81
    4.2.3 PROFIBUS 网络的分组同步策略  81-83
  4.3 网络节点的驱动方式  83-95
    4.3.1 节点驱动方式的分类  83-84
    4.3.2 网络控制系统节点驱动方式的组合  84-90
    4.3.3 驱动方式对 NCS 同步控制性能的影响  90-95
  4.4 网络节点的数据缓冲区  95-98
    4.4.1 数据缓冲区在同步控制中的作用  95-96
    4.4.2 PROFIBUS 网络数据缓冲区应用分析  96-98
  4.5 基于全局观测器的节点同步控制  98-103
    4.5.1 基于全局观测器的同步控制方法  98-101
    4.5.2 基于全局观测器的节点同步控制流程  101-103
  4.6 本章小结  103-105
第5章网络控制系统同步控制特性仿真  105-136
  5.1 引言  105
  5.2 基于 Matlab/Simulink 网络控制系统建模  105-110
    5.2.1 网络控制系统仿真建模方法  105-108
    5.2.2 网络控制系统仿真模型  108-110
  5.3 网络控制器设计与系统控制性能仿真  110-117
    5.3.1 节点的同步控制误差及时间补偿  110-112
    5.3.2 参数自整定模糊 PID 控制  112-115
    5.3.3 改进的 Smith 补偿控制  115-117
  5.4 网络控制系统输出响应同步控制策略与性能仿真  117-134
    5.4.1 网络控制系统同步控制结构  118-120
    5.4.2 同步给定方式  120-121
    5.4.3 同步误差及其补偿控制策略  121-124
    5.4.4 Fuzzy-PI 双模控制策略  124-127
    5.4.5 基于网络控制系统的主从结构多电机同步控制仿真实验  127-134
  5.5 本章小结  134-136
结论  136-138
参考文献  138-146
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  146-148
致谢  148-149
个人简历  149

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