（控制科学与工程专业论文）球杆网络化预测控制系统的研究与实现.pdf

i ：0 ：笆 师指导下进行的研究 特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：矍墨盗 日期：丝l 年月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 网络化控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s n c s s ) 是在传统控 制中引入网络数据传输通道形成闭环的新型控制结构，具有用途广 泛、便于维护、易于扩展的诸多优点。网络带来了一些优点的同时， 也提出一些新的问题，如网络诱导时延、数据包丢失等使得将传统控 制算法直接应用到网络化系统中的效果大大降低，甚至无法保持稳 定。目前网络化控制系统已经吸引了控制领域许多学者的关注，关于 网络化控制系统的分析与设计有了一些成果，也有了一些初步的应 用。 本文主要是针对具有开环不稳定性和非线性的球杆系统设计基 于网络化预测控制算法的网络化控制系统。基于中国科学院自动化研 究所开发的n e t c o n 控制器、n e t c o n l i n k 控制组态软件和n e t c o n t o p 监控组态软件，以及m a t l a b s i m u l i n k 相关工具箱实现球杆系统的网 络化预测控制。 论文的具体工作包括：首先介绍了网络化控制系统的基本问题如 网络诱导时延和数据包丢失等，分类介绍了网络化控制系统的研究现 状以及n e t c o n 网络化控制实验平台的搭建；然后描述了球杆系统的 电气以及机械结构，并分别运用机理建模、m a t l a b 系统辨识工具箱建 模和带遗忘因子的递推最小二乘法三种方法建立了球杆系统的数学 模型，并将各种模型与实际对象做出了实验对比；接着详细阐述了网 络化预测控制算法( n e t w o r k e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，n p c ) 的原理，给 出了预测控制序列生成模块、时延补偿模块、数据缓存发送模块等各 组成模块的实现方法，对于算法的稳定性也做出了分析；然后给出并 分析了基于r t t ( r o u n dt r i pt i m e ) 时延和n t p ( n e t w o r kt i m e p r o t o c 0 1 ) 同步后时延的测量机理与实验结果，最后通过不同网络环 境下的仿真与实物实验结果验证了网络化预测控制在球杆系统控制 中的有效性以及相对传统控制方法的优越性。 关键词网络化控制系统，网络延时，网络化预测控制，球杆系统， 系统辨识 i nd e t a i l s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ef u n d a m e n t a li s s u e ss u c ha s n e t w o r k e d - i n d u c e dd e l a ya n dd a t ap a c k a g ed r o p o u t ，s t a t eo ft h ea r ta n d t h en c s sd e s i g nt o o l s ；d e s c r i b e dt h es t r u c t u r eo fb a l l b e a ms y s t e ma n d m o d e l e dt h es y s t e mw i t ht h r e ed i f f e r e n tm e t h o d s ；f u l l yd i s c u s s e dt h e p r i n c i p l eo fn e t w o r k e dp r e d i c t i v ec o n t r o la l g o r i t h ma n dd e s i g no f e a c h b l o c k ；e x p l a i n e dd i f f e r e n tw a y so fd e l a ym e a s u r e m e n t ；f i n a l l y , t h e s i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sr e s u l t sw e r eg i v e nt ot e s t i f yt h ee f f e c t i v e n e s s o ft h ed e s i g n k e yw o r d sn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n e t w o r kd e l a y , n e t w o r k e d p r e d i c t i v ec o n t r o l ，b a l l - b e a ms y s t e m ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n i i 目录 第一章绪论1 1 1 网络化控制问题的提出1 1 2 网络化控制系统的研究现状。4 1 2 1 确定性方法4 1 2 2 随机控制方法4 1 2 3 鲁棒控制方法5 1 2 4 预测控制方法6 1 2 5 时滞相关方法6 1 2 6 自适应与增益调度方法7 1 2 7 基于网络调度的方法7 1 2 8 其它方法8 1 3 本文的主要工作与结构9 第二章网络化控制系统的架构1 1 2 1 球杆网络化控制系统的实验平台1 1 2 2n e t c o n 网络化控制软硬件平台1 2 2 2 1 网络化控制器n e t c o n c o n t r o l l e r 12 2 2 2 网络化可视控制组态软件n e t c o n l i n k 1 4 2 2 3 网络化可视监控组态软件n e t c o n t o p 15 2 3 本章小结1 6 第三章球杆系统结构及其建模1 7 3 1 球杆系统结构1 7 3 2 机理建模l8 3 3m a t l a b 系统辨识工具箱建模19 3 3 1m a t l a b 系统辨识工具箱简介1 9 3 3 2 利用系统辨识工具箱对球杆系统建模2 1 3 4 带遗忘因子的递推最d , - 乘法辨识建模2 4 3 4 1 递推最小二乘法简介。2 4 3 4 2 利用带遗忘因子的递推最小二乘法对球杆系统建模2 5 3 5 本章小结2 6 第四章球杆网络化预测控制系统设计与实现2 7 4 1 网络化预测控制系统的建模2 7 h i 4 2 网络化预测控制算法的设计2 9 4 2 1 网络化预测控制序列生成器2 9 4 2 2 网络时延补偿器3 0 4 2 3 数据缓存发送器3 2 4 3 网络化预测控制算法稳定性分析3 2 4 4 网络化预测控制算法的实现3 4 4 4 1 系统模块的s 函数编写3 4 4 4 2 系统整体构建与运行3 5 4 5 本章小结3 7 第五章球杆网络化预测控制系统仿真与试验3 9 5 1 时延测量3 9 5 1 1r 1 盯时延测量原理3 9 5 1 2n t p 同步时延测量原理4 0 5 1 3 时延测量结果及比较4 1 5 2 球杆网络化控制系统仿真4 3 5 3 球杆网络化控制系统实验4 7 5 4 本章小结一51 第六章结论与展望5 2 6 1 主要工作5 2 6 2 今后的工作5 2 参考文献5 4 致谢6 0 攻读硕士学位期间主要的研究成果6 1 i v 图l 1 网络化控制系统示意图 网络化控制是复杂大系统控制和远程控制系统的客观需求，并且是伴随着应 用技术基础的成熟而产生的，高速以太网和现场总线技术解决了网络控制系统的 可靠性和开放性问题，传感器、执行装置和驱动设备为通信网络在控制系统的应 用提供了基础。n c s s 与传统的点对点结构的系统相比，具有成本较低、功耗较 小、重量较轻、资源共享、远程操作与控制、便于安装与维护、灵活性和可靠性 强等诸多优点。另外使用无线网络技术还可以实现使用大量广泛散布的廉价传感 器与远距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的n c s ，这是传统的点对点结 构的控制系统所无法实现的。n c s s 已成为国际学术界研究的一个热点领域。 硕士学位论文 第一章绪论 n c s 在通过共享网络资源给控制系统带来了许多机遇的同时，也给系统和 控制理论带来了新的挑战。控制系统中加入通信网络后，系统的分析变得非常复 杂，主要在于： ( 1 ) 网络环境下，原本确定的稳定的信号传输路径变得不确定，在网络中由 于不可避免地存在网络阻塞和连接中断，会产生网络诱导时延和数据包丢失，而 且不同的网络类型采用不同的协议会使得控制系统的性质发生较大改变； ( 2 ) 数据在众多服务器和网络设备之间传输时，会产生网络诱导时延和数据 包时序错乱，n c s 中的网络诱导时延会降低系统性能甚至引起系统不稳定，计 算机网络是以“数据包”的形式发送和接收信息的，在建模时数据包的时序错乱 和数据包丢失可以看作网络的结构和参数的改变，这样在将传统结构的控制方法 应用到n c s 上时，将遇到很大困难，因为传统结构基本上都是同步、定时的系 统。显然，要使n c s 能够稳定并且具有良好的动态性能，就必须要建立n c s 的 数学模型，同时发展针对n c s 的分析和设计方法。 尽管已经有相当多关于网络化控制系统分析和设计的工作，但这些成果大都 停留在理论层面而未能在实际对象中应用，原因就在于是由于网络化控制系统与 传统控制系统在运行机制上还是存在着巨大差异，网络化系统的控制策略一般比 较复杂，实现起来有一定局限性，此外由于网络状况复杂多变，网络化控制系统 的结构多样，也给网络化控制系统的实现带来了难度，所以本课题的研究具有积 极和重要的意义。 网络化控制系统作为一个新颖的研究领域，虽然从提出至今已经取得了一定 的成果，但关于网络化控制系统的理论还远未成型，很多基本问题还有待于研究 者进一步探索。例如不同性质的网络化诱导时延，带宽受限的信息调度，网络化 控制系统的分布特性也带来了一些新的挑战比如，从局部状态求取全局状态，通 过局部反馈与控制达到全局控制目标等。下面归纳了n c s 中存在的基本问题包 括： ( 1 ) 网络诱导时延。在引入通信网络后，多用户共享通讯线路且流量变化不 确定，各信息源必须分时占用信道，信道的带宽有限，将会不可避免地发生信息 的重传和等待，在发送端和接收端为了采样、量化、编码与解码都会使信息产生 时延，这个时延被称为网络诱导时延。网络诱导时延的存在使得系统的分析变得 非常复杂，根据网络流量的不同，传输协议的不同，介质访问控制机制的不同， 网络诱导时延有很大的差异，现有的研究成果一般将网络诱导时延归纳成以下5 种形式： 恒定延时。将网络延时建模成常值，这是一种最简单的方式，降低了系统分 析的复杂度。这一般是通过在发送端或和接受端设置一定大小的缓冲区达到的。 2 硕士学位论文 第一章绪论 独立随机延时。假设延时服从某一确定的概率分布并且相邻延时变量之间 相互独立。 随机延时，其概率分布由m a r k o vc h a i n 调节。例如：马尔可夫链的三个状 态对应网络负载的三种情况，并且每个状态也对应一个具有确定概率分布的随机 延时。 延时服从m a r k o vc h a i n 。在离散时间域内，将延时的数值建模成m a r k o v c h a i n 的状态，不同状态间的转移概率由一已知的矩阵决定。 时变延时，但延时不可导。 ( 2 ) 数据包丢失。由于在网络中存在阻塞和连接中断等现象，数据包的丢失 是不可避免的。大多数网络协议设计的重新传输的机制，也只能满足一定时限内 的数据包丢失，而且考虑到控制系统的实时性，当新的数据包到了而过去时刻的 数据包还没有来到，则采用新的数据包信息要更为合理。在n c s 的设计中，对 数据包的丢失问题必须寻找相应的解决方法。一般来说，闭环系统只能忍受一定 比例的数据丢失，超出这一比例，原本针对无数据包丢失现象进行控制的稳定系 统可能会丧失稳定性。 ( 3 ) 单包传输和多包传输。在网络化控制系统中，由于其分布式特点，比如 传感器分布在巨大物理空间内，以及网络协议的约束，比如数据包大小的限制， 产生了单包传输和多包传输两种信息传递模式。单包传输是指n c s 中的发送端 的一个待发送数据统一被打包到一个数据包中发送。而多包传输是指n c s 中的 发送端的一个待发送的数据被分成若干个数据包进行发送。传统的采样控制系统 都是基于被控对象的输出和控制输入是同时传递的假设，而在多包传输的n c s 中这个假设不再成立。因为一个数据要分成多个数据包多次传输，这些数据包不 可能同时传递，也不可能同时到达。不同的网络协议需要根据自身特点取其二者 之一，e t h e r n e t 在一个数据包中最多可容纳1 5 0 0b y t e s ，因此适合于单包传输； 而d e v i c e n e t 一个包最多可容纳8b y t e s 的数据，因此多用多包传输。 ( 4 ) 网络调度。在网络化控制系统中，控制算法的效率和网络性能共同决定 了系统的控制性能和稳定性，因此针对网络共享资源的合理分配与调度也是需要 加以研究的。这里所说的网络调度指的是被控对象传输数据的快慢和被传输的数 据所具有的优先权，而被发送的数据如何更有效地从出发点到达目的地以及当线 路堵塞时应采取何种措施由线路优化和阻塞控制算法所解决。另外，网络调度还 可以调整控制系统的采样周期和采样时刻，尽量避免网络中冲突现象的发生，从 而最大限度地减少数据的传输时延。 ( 5 ) 时钟同步。时钟同步一直是分布式控制系统中的一个关键技术。由于在 网络化控制系统中，节点的位置往往比较分散，采用硬件时钟同步的方法往往不 3 硕士学位论文 第一章绪论 太现实。所以应该更多考虑软件时钟同步的方法。随着网络技术的发展，对时钟 同步精度的要求也越来越高。网络时间协议的出现很好地解决了这一问题。但在 网络化控制系统中，比如对于网络延时的测量往往需要毫秒级甚至更高的同步精 度，网络时间协议技术有时不能满足要求，所以需要研究具有更高精度的时钟同 步算法。 1 2 网络化控制系统的研究现状 19 8 8 年，r a y 提出集成通信控制系统( i n t e g r a t e dc o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o l s y s t e m s ，i c c s ) ，并分析由于引入通信网络而产生的一些基本问题。可以认为 i c c s 是最早的网络化控制系统。1 9 9 6 年k i m 提出“n e t w o r k - b a s e dc o n t r o l s y s t e m s 的说法，而w a l s h 等人在其论文中提出目前最为常用的“n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s 。自从网络化控制系统的概念提出以来，网络化控制系统的研 究已经取得了很大进展。粗略地讲，目前关于网络化控制系统的研究可以归结为 以下三个方面：( 一) 从控制的角度来分析和设计；( 二) 从网络调度的角度分析和 设计；( - - ) 综合考虑控制与调度。主要的控制方法主要有以下一些： 1 2 1 确定性方法 在n c s 中，由于网络诱导时延是随机时变的，所以n c s 是一种随机系统。 当网络诱导时延不服从某一确定分布或服从某一分布而分布特性未知时，就需要 把不确定的网络诱导时延人为转化为固定时延，从而将闭环网络化控制系统建模 为一个确定系统，继而利用一些比较成熟的方法进行分析和综合。r l u c k 【l 】等 人提出一种基于观测器的分布延迟补偿器。该补偿器在控制器和执行器的接收端 分别设置接收缓冲区，将时变的传输延迟转化为固定的传输延迟。 确定性方法可以利用已有的确定性系统分析方法和设计方法，克服延迟变化 对系统的影响，便于建立模型。但是确定性方法将所有时延都扩大为最大时延， 降低了系统应有的控制性能，而且信号不能得到及时利用，也许系统无法保持稳 定。 一 1 2 2 随机控制方法 由于确定性方法有上述一些人为的缺点，所以许多学者研究了随机控制方 法。随机控制方法根据反馈信号和控制信号经历的不同网络时延以及先后次序进 行建模，克服了确定性方法中人为扩大网络时延的缺点。 4 硕士学位论文第一章绪论 l w l i o u 和a r a ) ，【2 h 5 提出了有限时间随机最优状态反馈控制率。该方法 根据随机网络诱导时延建模，包含了随机时延的信息，给出了状态观测器的构造 方法。a r a y 【6 】提出了具有随机延迟补偿的l q g 控制器。该l q g 控制器对随机 时变时延下的输出反馈时延网络提出了一个次优解。y a n g 等【7 】利用混杂系统理论 和l m i ( l i n e a r m a t r i xh n e q u a l i t y ) 方法，讨论了时延大于一个采样周期的网络化 控制系统的玑控制和随机稳定性分析，并给出了一个不同于l q g 控制的巩控 制新策略。j n i l s s o n 等i s 提出一种新的控制结构。控制器和执行器采用事件驱 动，传感器采用时间驱动。文章中给出了l q g 随机最优控制律和状态观测器， 证明分离原理仍然成立。x i e 掣9 】利用l y a p u n o v 函数方法和矩阵范数理论，分析 了具有不确定性的连续线性对象的网络控制系统在时变不确定时延影响下的闭 环系统稳定性，并给出了保持系统稳定的网络诱导时延上界的计算方法。于之训 等【lo 提出了一种新的控制结构。控制器采用事件驱动，传感器和执行器采用时间 驱动，一旦有新的传感器数据发送到控制器端，控制器马上算出控制量发送到执 行器端。为了保证信息能够按时序传递，在传感器和控制器发送端分别设置两个 缓冲队列，一旦总线空闲就发送缓冲队列中的数据。作者实现了对多步随机时延 的网络化控制系统建模，给出了m a r k o v 链状态转移矩阵的方法，得到了满足给 定性能指标的随机最优控制律。j l x i o n g 1 l 】考虑了随机数据包丢失和m a r k o v 数据包丢失下的两种网络化控制系统镇定问题。利用l y a p u n o v 方法设计出可镇 定控制器并扩展到具有单步时延的情况。l ih o n g b o 掣1 2 】将最优状态反馈控制律 的问题转化为带有稳定域约束s r c 和输出跟踪约束o t c 的参数优化问题，并利 用e s t i m a t i o no fd i s t r i b u t i o na l g o r i t h m 求解，通过仿真与电机实验证明所设计的 em s f c 控制律在实际应用中的有效性和通用性，并且能够显著减少系统资源的 使用。 1 2 3 鲁棒控制方法 鲁棒控制是将时延环节转化为系统参数的不确定部分，然后针对转化后的系 统来设计鲁棒控制器，这样能够同时保证鲁棒稳定性和性能指标。 g o k t a s 1 3 】提出了基于鲁棒控制方法的网络化控制器的频域设计方法，该方法 不需要预先知道网络时延概率分布的有关信息，而是将网络时延对系统的影响看 作扰动，然后设计系统鲁棒控制器。于之训等【1 4 】利用仉和a 综合的方法设计控 制器，提供了一个将时延转化为不确定部分的等价框图，并利用m a t l a b 的工具 箱设计了鲁棒控制器，使得闭环系统具有较强的抗干扰能力。文献【1 5 】分析了线性 定常系统的网络化鲁棒控制器设计问题，假定控制器通过网络与被控对象相连， 网络诱导时延小于一个采样周期。随机时延在离散化时变为了系统状态方程系数 改进方案，通过仿真和实验验证了算法的有效性。h u 提出的改进方案是基于控 制器预测输出来与实际输出的相似程度进行时延补偿，从而避免了网络诱导时延 的测量，又由于预测控制方法是基于精确对象模型的，所以采用在线辨识来调整 模型参数的变化，也大大提高了控制性能。o u y a n 9 2 5 】将网络化预测控制的鲁棒 控制问题转化为不等式求解，并给出了相应结果。o u y a n g - 【2 6 】还考虑了网络化非 线性系统的预测控制问题，通过仿真和实验验证了算法的有效性。z h a n g 和l i 【2 8 】 考虑了基于临近优化的网络化模型预测控制；熊远生【2 9 】考虑了网络化控制系统的 滑模多步预估控制，张奇智 3 0 】考虑了网络控制系统中的时戳预测函数控制。 1 2 5 时滞相关方法 传统的时滞系统理论吸引了大量学者的关注，从不同的角度对该系统的分 析、设计以及稳定性证明进行了研究，时滞无关系统和时滞相关系统的稳定条件 和控制器设计方法都有了许多成果，而n c s 给传统时滞系统理论拓展了新的应 用领域也带来了一些新的挑战。 y u e 等 3 1 】【3 2 】考虑了线性定常系统和线性不确定系统的网络化时滞相关镇定 控制器设计问题。为了设计控制器，作者基于l y a p u n o v 泛函方法，引入自由权 矩阵，给出了无记忆状态反馈的n c s 模型的稳定性条件，克服了时滞相关稳定 条件的保守性。j l a i n 3 3 】考虑了一种典型时延的连续系统稳定性问题。作者采用 6 硕士学位论文 第章绪论 时滞相关方法获得了系统稳定性条件，用一组l m i 来描述，并通过数值仿真表 明了该方法的有效性。h j g a o 【3 4 j 定义了一个新的l y a p u n o v 泛函以获得时滞相 关性，获得了具有时变状态延迟离散系统渐进稳定的新条件。这些条件比已有的 条件有较小的保守性。 时滞相关方法应用到网络化控制系统中还有许多问题尚待解决，其基于 l y a p u n o v 泛函进行的分析和设计，可以保证对不同的被控对象都有较好的适用 性。 1 2 6 自适应与增益调度方法 自适应与增益调度方法的基本思想是将控制器的参数作为网络状况的函数， 动态地调整控制量，以补偿网络对控制的影响。 s l o c i 3 5 j 设计出基于模糊逻辑的控制器，并与传统的p i d 控制器进行比较， 说明在鲁棒性和控制效果方面，模糊控制都优于传统的控制方法。k c l e e 3 6 】【3 7 】 则是利用遗传算法对p i d 参数进行整定，并通过p r o f i b u s d p 网络和马达对象组 成的网络控制系统进行了实验研究。王晓掣3 8 】等则是预先设计最佳参数库，针对 不同的网络时延，模糊控制器将从库中选择合适的参数对t c p i p 网络伺服控制 系统进行控制，实验结果表明这种方法可以保持系统稳定并达到一定的性能指标 要求。a l m u t a i d t 3 9 】利用模糊补偿器直接调整p i 控制器的k 。、k ，参数，而且进 一步探讨了自适应调整的方法，可以离线或者在线自校正。 增益调度法是自适应方法的一种，主要思想是通过调节原控制器的增益来补 偿网络的影响。m yc h o w 和yt i p s u w a n 删【4 1 】将网络诱导时延建模为指数函数， 然后利用一个有理函数去逼近，在频域中此种逼近可以满足设计的需要。增益调 度法的主要优点是加入网络后，不必另外为系统单独设计控制器，而是在原来的 控制器基础上通过增益调度来实现网络化控制，这样更为便利也节省了成本。 d y u c 【4 2 】【4 3 】设计增益控制器能够同时补偿网络中网络诱导时延和数据包丢失的 影响。 自适应和增益调度方法具有结构简明，应用方便的优点，但是从理论上而言， 参数整定大多基于经验与试凑，并未给出解析的设计手段，也缺乏对稳定性的证 明，因此需要在理论上做更多的工作。 1 2 7 基于网络调度的方法 此类方法主要从网络资源的调度角度，通过协议和调度算法来保证网络化控 制系统的性能。 7 硕士学位论文 第一章绪论 b r a n i c k y 等 4 4 1 认为：在设计网络化控制系统时，网络的带宽、量化、生存期、 可靠性以及延时等网络性能指标应该和稳定性、控制品质、容错能力和自适应能 力等控制性能指标一起考虑。b r a n i c k y 等研究了系统在r m 可调度与稳定性共 同约束下的最优调度问题，研究了存在网络延时、丢包和多包传输情况下的调度 问题。研究结果表明系统稳定性可以容忍一定比例的数据包丢失。w a l s h 4 5 1 1 删提 出了t o d 协议，如果信号在传输过程中未成功，则不再重发，而是沿用上一时 刻的数据，这样保证了信号的实时性，减轻了网络负载。w a l s h 等还提出了一种 新的调度算法m e f ( m a x i m u m e r r o r - f i r s t ) 保证具有较大误差权重的节点优先获 得网络的访问权。如果权重相同则按照预先设定的顺序工作。对于相同传输时间 分布，动态调度的误差界限要比静态调度小，这是因为它保证了具有较大误差的 节点具有优先的网络访问权。k w e o n 等【4 7 】【4 8 】为了解决以太网中数据包冲突而延 时不可预测的问题，提出了在u d p 或t c p i p 协议层和m a c 层之间加入一“流 量平滑 ( t r a f f i cs m o o t h ) 的概念。流量平滑器中实时数据包具有较高优先权，再 将非实时数据流平滑化，可以解决节点内部与节点间实时数据与非实时数据的冲 突问题。h o n g 等【4 9 】【5 0 】讨论了令牌环网络中的采样周期和采样时刻的调度，研究 了对于网络中周期性，非周期性实时和非实时数据如何调度和减少时延以提高网 络利用率。k i m 与p a r k 5 1 】利用由稳定性条件保证的最大容许时限( m a x i m u m a l l o w a b l ed e l a yb o u n d ，m a d b ) 来确定回路的采样周期，以及带宽分配，保证各 种数据的有效传输，更进一步地给出了m a d b 的l m i 计算方法。 1 2 8 其它方法 摄动分析方法将网络诱导时延视为对系统的摄动，从而利用传统的摄动理论 来对网络化控制系统进行稳定性分析。 w a l s h 5 2 l - i s 4 利用摄动理论考虑了传感器与控制器之间存在网络诱导时延的 系统稳定性问题，提出了最大允许传输间隔( m a t i ) 的概念，其目的就是寻找 m a t i 以保证网络化控制系统的性能可以得到保证。w a l s h 在后续文献中把m a t i 概念扩展到非线性对象中，基于相同的系统结构，探讨了信息优先级偏差编码与 稳定性的关系，并基于l y a p u n o v 泛函方法得出了指数稳定性条件，但此条件仍 是一个充分条件所以具有保守性。 跳变或切换系统方法将网络化控制系统建模为跳变或切换系统，再利用已有 系统控制理论进行分析网络化控制系统的分析与设计。 o z g u n 0 5 5 】把具有随机时延的线性网络化控制系统建模为线性跳变系统，在 结构上使得系统时延与状态空间中的随机性取得了一致，给出了均方指数稳定性 的充分必要条件。l q z h a n g 5 6 】提出了一种新颖的建模方式，将前向通道与反 硕士学位论文 第一章绪论 馈通道的时延分别建模为两个m a r k o v 链，这样就得出了两种模式的跳变系统， 给出系统稳定的充分必要条件。d k k i m 【5 7 】考虑了利用切换系统来设计输出反 馈矾控制。作者基于l y a p u n o v 泛函方法设计了切换式控制器，提出只要动态输 出反馈控制器使得玑范数最小化，就可以解决基于任意通信网络的非对称路径 时延配置系统的控制问题。于水情等【5 8 】利用具有延时的输出信号设计了一种新的 观测器和控制器，建立了得到包含时延的闭环网络化切换系统，并给出了使得该 闭环系统稳定的充分条件。w a z h a n g 5 9 】将网络化控制系统建模为四个子系统 组成的离散切换系统，给出了系统指数稳定性充分条件，提出了基于观测器的输 出反馈控制器设计方法。l x i a o 【删也建立了传感器、执行器和控制器全为时钟 驱动时长时延n c s 的离散模型，并利用跳变线性系统的方法分析了闭环系统的 稳定性，介绍了一种设计反馈控制律的迭代算法。 混杂系统是一类同时具有连续和离散特性的系统，n c s 与在固定时刻具有 脉冲效果的混杂系统相似，有一类文章专门基于混杂系统方法对网络化控制系统 进行了稳定性分析。 在应用方面，也有了一些成果。u n n a t io j h a 和m yc h o w 等的一系列工 作【6 1 】【6 3 】将预测控制、状态反馈控制、 ( u n m a n n e dg r o u n dv e h i c l e s ，u g v s ) 中， 踪目标上的有效性。 通信调度等方法应用到无人驾驶汽车 实验结果表明了这些方法在实现路径跟 通过以上介绍，可以看出网络化控制系统的理论研究已经取得了许多有意义 的成果，但是关于网络化控制系统的应用及实现方面的成果甚少，本文认为网络 化控制系统领域有以下几个问题值得继续研究： 1 ) 各种网络化控制系统的建模 2 ) 各种网络化控制系统的稳定性分析 3 ) 有效补偿网络化诱导时延、数据包丢失等的网络化控制算法 4 ) 网络调度协议与控制算法的协调设计 5 ) 网络化控制算法的应用。 1 3 本文的主要工作与结构 球杆系统具有开环不稳定性和非线性，体积较小，实验方便，安全性高，是 控制算法研究中一种有效的、通用性强的对象。由于现有网络化控制系统以理论 分析与数值仿真结果为主，缺乏实际实验的验证，特别是对于较为复杂的动态被 控对象，几乎没有实际验证与应用的成果。本文着重研究球杆网络化预测控制系 统的设计与实现问题，基于仿真与实际的网络环境，分别采用三种不同方法对球 杆系统建模，以网络化预测控制算法为主要方法，设计网络化控制系统中的控制 9 硕士学位论文 第一章绪论 器和时延补偿策略。本文使用m a t l a b 和s i m u l i n k 作为系统设计的主要工具，使 用n e t c o n 系统平台作为n c s 实现的主要工具，通过r 1 广r 和n t p 同步两种方 法实现时延测量，通过实验分析了两种时延测量策略的优劣，最后通过各种网络 条件下的本地控制、无补偿控制算法和加入时延补偿的网络化预测控制算法的仿 真和实验结果，体现了网络化预测控制算法在球杆控制中的有效性与优越性。 本文的章节结构如下： 第一章介绍了本论文的选题意义，总结了网络化控制系统的基本问题，概述 了网络化控制系统的研究历史与现状，最后介绍了本文的主要工作和结构。 第二章介绍了具体的网络化控制系统架构，介绍了运行平台各个组成部分 n c t c o n 控制器n e t c o n c o n t r o l l c r 、网络化可视控制组态软件n c t c o n l i n k 、网络化 可视监控组态软件n e t c o n t o p 等的作用和使用方法，为第五章中仿真和实验提 供了铺垫。 第三章详细介绍了球杆系统的建模过程，网络化预测控制算法是一种基于模 型的算法，本文首先利用微分方程与状态方程对球杆系统的电气和机械部分进行 了分析，建立了球杆系统的机理模型；然后介绍了用m a t l a b s i m u l i n ks y s t e m i d e n t i f i c a t i o nt o o l b o x 工具箱进行模型辨识的方法，提出了利用插值法和切换模 型建立整体模型的两种思路；接着采用了用带遗忘因子的递推最d x - 乘法进行在 线辨识的思路。不同方法辨识出的模型通过实验结果进行了比较和分析，结果表 明，采用递推最小二乘法建立模型结构清晰、使用方便、模型拟合程度最高，本 文后续章节的实验即是采用了这种方法。 第四章阐述了球杆系统的网络化控制系统的算法设计与实现。首先建立了具 有随机传输延时的网络化控制系统的随机模型；接着详细介绍了网络化预测控制 系统的设计，包括预测控制序列的生成，网络时延补偿，数据缓存发送等模块的 运行机制；利用l y a p u n o v 稳定性定理研究了系统的稳定性；详细阐述了网络化 预测控制算法的实现过程：简单以数据缓存发送模块为例说明了基于s 函数的模 块实现；最后介绍了将s i m u l i n k 模块图编译、下载、运行、本地和异地数据传 输、监控、参数修改、的整个流程。 第五章首先详细阐述了r 1 广r 回路时延测量和n t p 同步时延的测量方法，并 通过实验进行了两种测量方法的比较，结果表明，n t p 同步后的时延具有时延 更精确，更稳定，所需数据量更小的优点；接着通过仿真不同网络条件下对球杆 网络化预测控制系统的控制效果进行了验证；最后是局域网与i n t e r a c t 环境下球 杆网络化预测控制系统的实验结果，仿真和实验都通过与本地控制和无时延补偿 算法的对比，结果都表明本文的网络化预测控制算法的有效性与优越性。 第六章是结论与展望。 1 0 硕士学位论文 第二章网络化控制系统的架构 第二章网络化控制系统的架构 网络化控制系统与传统的控制系统相比，结构上具有很大的灵活性，本文的 系统特指基于口协议进行通信的网络。本章将对本文设计的网络化控制系统架 构做详细的介绍，首先介绍网络化控制系统的应用背景；接着就系统平台的各个 模块进行分别介绍，包括网络化控制器n e t c o n c o n t r o l l e r 、网络化可视控制组态 软件n e t c o n l i n k 、网络化可视监控组态软件n e t c o n t o p ，最后介绍了网络化球 杆控制系统实验环境。 2 1 球杆网络化控制系统的实验平台 本文的平台为n e t c o n 系统软硬件环境及球杆系统，属于网络化控制实验室 ( n c s l a b ) 。该实验室的实验对象分布于不同的大学中，通过统一的上层服务器 进行管理，使用者使用设备时，需要登录网上实验室，成为注册用户后，申请设 备使用权进行实验，实验室内部可以采用无线或者有线的方式将实验对象接入局 域网，通过校园网接入i n t e m e t 。网络化控制器n e t c o n 在该系统中扮演多重角色， n e t c o n 具有完整的网络功能，可以实现数据的实时网络收发实验对象的控制数 据和传感器反馈信号需通过n e t c o n 与远程n e t c o n 进行通信，它含有多路标准 输入输出接口，如a d 、d a 、p w m 等，上层计算机与下层对象的交互也是通过 n e t c o n 进行。n e t c o n 具有a r m 嵌入式处理器和嵌入式l i n u x 操作系统，可以 执行各种控制算法。 图2 1 球杆网络化控制系统实验平台 在本文的球杆网络化控制系统中，如图2 1 所示，一台网络化控制器与实 硕士学位论文第二章网络化控制系统的架构 验对象相连，作为网络传感器执行器使用，它将采到的传感信息通过以太网发送 给另一台网络化控制器，该设备执行控制算法，并将计算的控制量通过以太网回 传，对方接到后将该控制量输出给对象，是一个典型的基于以太网的网络闭环结 构。 在基于w e b 的网络化控制实验室中，不仅闭环控制基于网络实现，更新控 制策略，调试控制参数，实时监控对象状态都通过网络实现。上位机中分别装有 控制组态软件与监控组态软件，同时还开发了基于w e b 的相应软件，用户不需 安装任何程序，只要打开浏览器，就可以利用服务器上的软件通过w e b 方式实 现上述功能。 2 2n e t c o n 网络化控制软硬件平台 中科院自动化研究所开发的n c t c o n 控制系统，包含网络化控制器硬件 ( n e t c o n c o n t r o l l e r ) 、网络化可视控制组态软件( n e t c o n l i n k ) 、网络化可视监控组 态软件( n e t c o n t o p ) ，使用者可以在此系统平台上方便地进行控制方案设计与验 证，控制算法编写与调试，并可以搭建自己的网络化控制系统。 2 2 1 网络化控制器n e t c o n c o n t r o l l e r 图2 2 网络化控制器n e t c o n c o n t r o l l e r 主要功能： 网络化控制器为n e t c o n 系统的前端控制单元，它使用高性能、低功耗的3 2 位a r m 微处理器建立硬件平台，运行嵌入式实时操作系统，主要用于控制算 1 2 硕士学位论文 第二章网络化控制系统的架构 法的具体实现，从而完成对被控对象的控制。它通过网络接口接收监控组态平台 的控制参数与控制命令，并将控制对象的运行状态实时上传至监控组态平台。与 传统的前端控制器比较，网络化控制器具有更高的运行速度和更大的寻址能力， 加上嵌入式操作系统的多任务和实时性，可以完全保证复杂控制算法的流畅运 行。 组成结构： 网络化控制器的主处理器采用基于3 2 位a r m 的微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 ， 并配有高容量的存储器和其它通用接口。a t 9 1 k m 9 2 0 0 具有1 8 0 m h z 的工作频 率，它特别提供独立的、功能强大的以太网控制器，非常适用于复杂的嵌入式以 太网应用系统。系统的存储器由f l a s h 和s d k 八m 两部分构成，其中f l a s h 的存 储容量为6 4 m b ，可以固化系统的b o o t l o a d c r 和嵌入式实时操作系统，存储大量 数据；s d r a m 的容量为3 2 m b ，可以保证嵌入式操作系统和复杂控制算法的高 效运行。同时，系统除了具有通用的串口、网线接口外，还扩展了高速、高精度 的a d c 和d a c 、数字量i o ，p w m 等可方便与控制对象相连的接口。系统整 体架构采用的是分体模块插拔式结构，该结构利于用户扩展模块，同时用户也可 根据需要购买和使用相应的模块，模块与系统连接采用的是统一的接口方式 e a b 总线，该系统最多可扩展4 个模块。c p u 模块是必须的，其它模块的左右 插拔顺序可任意。网络化控制器整体结构如图2 2 所示。 泐彬黪蝴黝鬻嬲删懒俐黝删黝懒“锄”碉 糯翻 | 耋曩喜i 置 = t 钟 。一廖 ： 震耋 i ，耋i 差j i 囝一 至il _ 多 叶， “o i 一鬈铡。i 隧翱 一 一艄m 鬣 竺三 囝 囝 口， o 囝囝囝o _ “ 。 一一一一”7 一1 图2 3 数模连接器 为方便用户在实验时便于接线的要求，n e t c o n c o n t r o l l e r 设计了数模连接器， 包括数字量和模拟量的连接接口，用来与用户设备进行连接，数模连接器外观如 图2 3 所示。模拟量接口采用b n c 接头，该接头连接可靠，安全性高，屏蔽性 能好；数字量采用带固定导线的插拔式接插件，用户使用方便。数模连接器提供 了如下端口： 1 3 硕士学位论文 第二章网络化控制系统的架构 4 路d a ，均可电压输出( 其中d a o 、d a 1 可电流输出) 1 2 路a d 2 路d i ( p b 4 、p b 5 ) 2 路d o ( p b 7 、p b 9 ) 3 路p w ( p b 6 、p b 8 、p b l 0 ) 1 路中断输入