無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的延時分析及算法設計.pdf

1、利用無線通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)地域上分布的、可移動的現(xiàn)場傳感器、控制器及執(zhí)行器之間的信息相互交換，以達到被控對象的實時反饋控制，這樣一類被稱為“無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)”的新型控制系統(tǒng)近年來得到了廣泛的關(guān)注。與傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)或有線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)相比，基于控制技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、射頻通訊技術(shù)和計算機技術(shù)實現(xiàn)的無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)具有可實現(xiàn)資源共享、高的診斷能力、高度移動性、減少系統(tǒng)布線、增加系統(tǒng)的柔性和魯棒性、安裝維護方便等諸多優(yōu)點，可在眾多領域應用，成為控制

2、領域的研究熱點之一。然而，無線網(wǎng)絡中的隨機延時、丟包、低通訊帶寬、通訊約束等問題也使無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的分析和設計變得異常復雜。 本文針對一類在無線傳感器網(wǎng)絡基礎上實現(xiàn)的無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論和射頻通訊理論，通過實驗和仿真對這類無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)進行了研究，著眼于提高閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、減少網(wǎng)絡延時對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響，從控制和網(wǎng)絡兩個角度提出了新的延時補償算法。 本文的主要工作如下： 1．設計了一

3、種基于IEEE 802.15.4/Zigbee通訊協(xié)議的、可用于無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡研究的實驗平臺。該實驗平臺有助于理解無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，為本文的后續(xù)研究提供理論驗證手段，同時，也給網(wǎng)絡控制算法、實時調(diào)度算法、路由協(xié)議算法等理論研究者提供一種實際的算法驗證平臺。 2．分析了利用IEEE 802.15.4/Zigbee通訊協(xié)議所實現(xiàn)無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中延時的組成，在此基礎上，以實驗手段探討了不同網(wǎng)絡因素對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)延時

4、的影響。研究結(jié)果表明，為了減少網(wǎng)絡延時，需要綜合分析考慮采樣周期、傳輸路由、信道條件、信號質(zhì)量等因素。 3．提出了一種基于Takagi-Sugeno模糊模型的簡化模糊控制算法，并將其應用在基于無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)的直流無刷電機控制系統(tǒng)實驗平臺上，分析了網(wǎng)絡的存在對控制系統(tǒng)的影響。在此基礎上，對所提出的簡化模糊控制算法進行了改進，改進后的控制算法可有效補償隨機網(wǎng)絡延時對控制系統(tǒng)的影響。 4．針對一類具有隨機網(wǎng)絡延時的無線網(wǎng)絡

5、控制系統(tǒng)，通過將網(wǎng)絡延時作為模糊規(guī)則的前件變量，提出了一種新的基于Takagi-Sugeno模糊模型的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模方法；在此基礎上，通過分析實時輸入與模糊模型之間的映射關(guān)系，對模糊模型進行了簡化；利用Lyapunov穩(wěn)定性分析理論和線性矩陣不等式等工具推導了閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的可鎮(zhèn)定條件，進而設計了相應的模糊狀態(tài)反饋控制器。 5．考慮一類基于無線網(wǎng)絡實現(xiàn)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，分析了無線傳感器網(wǎng)絡中采用的多跳射頻通訊方式對系統(tǒng)延時的影

6、響；針對這種具有可變延時的閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，提出了一種基于客戶機—服務器模型的LQR輸出反饋控制策略，并利用文獻結(jié)論和線性矩陣不等式等工具，將閉環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一個切換控制系統(tǒng)，推導了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件，在此基礎上，給出了控制器的參數(shù)優(yōu)化辦法。 6．針對基于無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)的無線網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，從網(wǎng)絡通訊的角度分析了網(wǎng)絡延時的組成，在此基礎上，提出了一種實現(xiàn)最小網(wǎng)絡延時的路由算法，對路由算法的設計和實現(xiàn)進行了詳細敘述。 最后，對