網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器與通信協(xié)議的研究與設(shè)計.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems,NCS)是指基于網(wǎng)絡(luò)的自動控制系統(tǒng),它是自動控制與通信技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)是指工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。控制網(wǎng)絡(luò)帶來了自控系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟性、安裝維護性和系統(tǒng)集成性,但同時也給NCS帶來了諸如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延等不利因素,成為控制系統(tǒng)設(shè)計的難點,使NCS的分析和設(shè)計復(fù)雜化,給NCS的應(yīng)用帶來了新的不利影響。
　　 根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)的特點,設(shè)計NCS控制器是NCS研究的一

2、個基本問題:而設(shè)計滿足一定性能要求的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是NCS研究的另一個基本問題。本文從這兩個方面開展工作。一方面是根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計NCS的控制器算法。將現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分為確定性和不確定性兩類,分別分析其系統(tǒng)特點,設(shè)計控制算法:另一方面,從工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議設(shè)計入手,介紹基于工業(yè)串行通信的現(xiàn)場總線的協(xié)議設(shè)計過程和評價指標(biāo),并介紹了基于TCP/IP的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的設(shè)計過程和評價指標(biāo)。主要內(nèi)容如下:
　　 (1)對于確定性的NCS,研究

3、了NCS的時延關(guān)系.提出了等效采樣方法,給出時延與穩(wěn)定性之間關(guān)系,介紹了確定性的NCS控制器設(shè)計方法和設(shè)計過程,并給出仿真實例。對于不確定性的NCS,本章對相關(guān)研究成果進行了總結(jié),研究了非確定性的NCS的時延關(guān)系、系統(tǒng)模型、穩(wěn)定條件和控制器設(shè)計方法和設(shè)計過程。
　　 研究了NCS的模糊PID的設(shè)計過程,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的延時發(fā)生變化時,智能控制比單純PID控制具有更好的魯棒性:對于長延時的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),本文研究了NCS的Smith預(yù)估

4、PID控制器的設(shè)計。
　　 (2)研究了三種不同總線控制方式下的現(xiàn)場總線通信協(xié)議設(shè)計的方法和過程。在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行了不同總線控制方式下的現(xiàn)場總線通信實驗。在簡化的通信協(xié)議基礎(chǔ)上,進行了性能分析和比較。
　　 (3)分別研究了基于TCP/IP模型和基于UDP/IP模型的工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議的設(shè)計過程,并提出了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)性能的評價指標(biāo)。在理論設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行了模擬實驗,測試了網(wǎng)絡(luò)實時性能。
　　 (4)研究了硬

5、件在線仿真平臺的構(gòu)建,提出了理論與硬件在線仿真相結(jié)合的設(shè)計方法,即用平均時延對系統(tǒng)進行理論設(shè)計,再在硬件在線仿真平臺上進行仿真和參數(shù)選擇。
　　 (5)智能傳感器的設(shè)計是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計的重要內(nèi)容。在工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP模型中,基于復(fù)用和跨層技術(shù),研究了智能傳感器的硬件和軟件設(shè)計的過程。
　　 (6)研究了多層網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)關(guān)系,定義了數(shù)據(jù)關(guān)系的概念,提出了多層網(wǎng)絡(luò)自上而下和自下而上兩種數(shù)據(jù)傳輸方向上的數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系,并對