無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的延時(shí)分析及算法設(shè)計(jì).pdf

1、利用無線通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)地域上分布的、可移動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)傳感器、控制器及執(zhí)行器之間的信息相互交換，以達(dá)到被控對(duì)象的實(shí)時(shí)反饋控制，這樣一類被稱為“無線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制系統(tǒng)或有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相比，基于控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、射頻通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有可實(shí)現(xiàn)資源共享、高的診斷能力、高度移動(dòng)性、減少系統(tǒng)布線、增加系統(tǒng)的柔性和魯棒性、安裝維護(hù)方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，可在眾多領(lǐng)域應(yīng)用，成為控制

2、領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。然而，無線網(wǎng)絡(luò)中的隨機(jī)延時(shí)、丟包、低通訊帶寬、通訊約束等問題也使無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜。 本文針對(duì)一類在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)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(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)這類無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)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(luò)延時(shí)對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響，從控制和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)角度提出了新的延時(shí)補(bǔ)償算法。 本文的主要工作如下： 1．設(shè)計(jì)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(luò)控制系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有助于理解無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，為本文的后續(xù)研究提供理論驗(yàn)證手段，同時(shí)，也給網(wǎng)絡(luò)控制算法、實(shí)時(shí)調(diào)度算法、路由協(xié)議算法等理論研究者提供一種實(shí)際的算法驗(yàn)證平臺(tái)。 2．分析了利用IEEE 802.15.4/Zigbee通訊協(xié)議所實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中延時(shí)的組成，在此基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)手段探討了不同網(wǎng)絡(luò)因素對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)延時(shí)

4、的影響。研究結(jié)果表明，為了減少網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，需要綜合分析考慮采樣周期、傳輸路由、信道條件、信號(hào)質(zhì)量等因素。 3．提出了一種基于Takagi-Sugeno模糊模型的簡(jiǎn)化模糊控制算法，并將其應(yīng)用在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，分析了網(wǎng)絡(luò)的存在對(duì)控制系統(tǒng)的影響。在此基礎(chǔ)上，對(duì)所提出的簡(jiǎn)化模糊控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的控制算法可有效補(bǔ)償隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。 4．針對(duì)一類具有隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的無線網(wǎng)絡(luò)

5、控制系統(tǒng)，通過將網(wǎng)絡(luò)延時(shí)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(luò)控制系統(tǒng)建模方法；在此基礎(chǔ)上，通過分析實(shí)時(shí)輸入與模糊模型之間的映射關(guān)系，對(duì)模糊模型進(jìn)行了簡(jiǎn)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(dǎo)了閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的可鎮(zhèn)定條件，進(jìn)而設(shè)計(jì)了相應(yīng)的模糊狀態(tài)反饋控制器。 5．考慮一類基于無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用的多跳射頻通訊方式對(duì)系統(tǒng)延時(shí)的影

6、響；針對(duì)這種具有可變延時(shí)的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出了一種基于客戶機(jī)—服務(wù)器模型的LQR輸出反饋控制策略，并利用文獻(xiàn)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(gè)切換控制系統(tǒng)，推導(dǎo)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件，在此基礎(chǔ)上，給出了控制器的參數(shù)優(yōu)化辦法。 6．針對(duì)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，從網(wǎng)絡(luò)通訊的角度分析了網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的組成，在此基礎(chǔ)上，提出了一種實(shí)現(xiàn)最小網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的路由算法，對(duì)路由算法的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)敘述。 最后，對(duì)