基于網(wǎng)絡(luò)整定的控制系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)的分析及解決方法研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介被廣泛用于各種控制系統(tǒng)之中，在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，控制回路通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線為代表的各種專(zhuān)用控制網(wǎng)絡(luò)形成閉環(huán)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)，為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了一種先進(jìn)、高效的底層通信與控制手段。同時(shí)，隨著被控對(duì)象復(fù)雜度以及控制要求的不斷提高，許多學(xué)者提出了各種類(lèi)型的先進(jìn)控制算法，其中包含針對(duì)被控對(duì)象的復(fù)雜辨識(shí)算法和針對(duì)控制器的參數(shù)整定算法，并利用參數(shù)估計(jì)、辨識(shí)獲得的結(jié)果完成控制器參數(shù)的在線修正，這種方法

2、在學(xué)術(shù)界獲得了很高程度的認(rèn)同。但由于底層控制器的計(jì)算資源有限，難以完成復(fù)雜的辨識(shí)和整定算法，這是先進(jìn)控制算法在實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸之一。 于是，本文在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新地提出了基于網(wǎng)絡(luò)整定的控制系統(tǒng)的思想，即利用通信網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)程整定單元的計(jì)算資源完成復(fù)雜的整定算法，并實(shí)現(xiàn)本地控制器參數(shù)的在線修正，從而實(shí)現(xiàn)整定回路的網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)。由此，本地控制器得以可靠地完成簡(jiǎn)單的控制任務(wù)，而復(fù)雜的參數(shù)估計(jì)、辨識(shí)任務(wù)則由連接于通信網(wǎng)絡(luò)之上的遠(yuǎn)程整

3、定單元實(shí)現(xiàn)，這對(duì)解決先進(jìn)控制的實(shí)際應(yīng)用瓶頸具有重要的價(jià)值。 本文的主要目的是研究基于網(wǎng)絡(luò)整定的控制系統(tǒng)之中，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定現(xiàn)象對(duì)于辨識(shí)、整定算法和控制算法的影響，并進(jìn)一步探索使用通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于系統(tǒng)控制性能和收斂性的影響，最后提出相應(yīng)的解決方案來(lái)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及提高控制性能。具體研究成果如下： 首先，提出了基于網(wǎng)絡(luò)整定的控制系統(tǒng)的新概念。在此基礎(chǔ)上，從通信和控制角度研究了閉合其整定回路的通信網(wǎng)絡(luò)所存在的主要不確定現(xiàn)象—網(wǎng)

4、絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)的各種性質(zhì)，分析了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)的組成成分和誘發(fā)延時(shí)的主要因素—通信協(xié)議和控制設(shè)備，為研究網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)對(duì)于系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性的影響提供基礎(chǔ)。此外，根據(jù)遠(yuǎn)程整定單元對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸次序的敏感程度，把整定算法分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種類(lèi)型分別進(jìn)行研究。 第二，本文采用連接于通信網(wǎng)絡(luò)之上的遠(yuǎn)程整定單元在線修正本地控制器的參數(shù)，提出并構(gòu)建了采用靜態(tài)整定算法的基于網(wǎng)絡(luò)整定的類(lèi)PD型模糊控制系統(tǒng)，其中本地控制器完成簡(jiǎn)單的控制信號(hào)計(jì)算和輸

5、出，而參數(shù)整定過(guò)程在遠(yuǎn)程整定單元中實(shí)現(xiàn)。針對(duì)整定回路中的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)，構(gòu)建了由延時(shí)引發(fā)的性能下降函數(shù)，提出了定量分析延時(shí)對(duì)于系統(tǒng)控制品質(zhì)影響的方法。另外，在性能下降函數(shù)的基礎(chǔ)上，提出并建立了最大可容許延時(shí)和最大性能下降的概念，為基于網(wǎng)絡(luò)整定的控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供了一種簡(jiǎn)單、可行的途徑。 第三，針對(duì)經(jīng)典的自適應(yīng)控制系統(tǒng)包含內(nèi)環(huán)和外環(huán)，借助通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)外環(huán)(整定回路)內(nèi)的信息傳輸，使得辨識(shí)(參數(shù)估計(jì))過(guò)程經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)，由此提

6、出并構(gòu)建了一種采用動(dòng)態(tài)整定(辨識(shí))算法的網(wǎng)絡(luò)整定控制系統(tǒng)—基于網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其中遠(yuǎn)程整定單元(即辨識(shí)器或參數(shù)估計(jì)器)完成對(duì)象參數(shù)的辨識(shí)或估計(jì)，而本地控制器根據(jù)辨識(shí)獲得的參數(shù)產(chǎn)生控制信號(hào)。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，隨機(jī)時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延時(shí)可能導(dǎo)致控制系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)不收斂以致控制系統(tǒng)輸出不收斂。 第四，針對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)序問(wèn)題，提出了辨識(shí)器端和控制器端產(chǎn)生數(shù)據(jù)錯(cuò)序的判斷方法，在此基礎(chǔ)之上利用時(shí)間標(biāo)簽和緩沖

7、器技術(shù)提出了一種放大隨機(jī)時(shí)變延時(shí)至固定最大延時(shí)的解決方案(解決方案Ⅰ)和改進(jìn)的緩沖器法(解決方案Ⅱ)，并在理論上嚴(yán)格證明了控制系統(tǒng)的輸出收斂性。隨后，針對(duì)通信品質(zhì)和控制品質(zhì)相互關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，在解決方案Ⅰ基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步提出了綜合考慮通信品質(zhì)和控制品質(zhì)的主動(dòng)丟包法(解決方案Ⅲ)，提升了系統(tǒng)的控制品質(zhì)和實(shí)用性，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了其有效性。 最后，在基于網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，針對(duì)仿射非線性對(duì)象，進(jìn)一步提出和構(gòu)建了基于網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的