基于模型预测的网络闭环控制研究

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1、基于模型预测的网络闭环控制研究徐淑萍，黄磊西安工业大学计算机科学与工程学院,西安710032摘要：研究了远程传输时延不确定情况下闭环控制系统控制稳定性问题，给出了一种基于神经网络的模型预测控制法，仿真实验表明当控制网络存在时延时，随着控制系统时延值的大小和系统其它参数变化，不断的动态调整系统控制参数PID值可以使对工作环境未知的被控对象的控制变得稳定，改善远程闭环控制系统性能，以达到用户期望结果。关键词：远程控制；神经网络；网络时延；模型预测控制；中图分类号：TM343文献标识码：ARearchofNetworkClos

2、ed-loopControlBasedontheModelPredictiveXUShu-ping,HuangLeiSchoolofComputerScience&Engineering,Xi’anTechnologicalUniversity,Xi’an710032,ChinaAbstract:Researchedtheclosed-loopcontrolsystemstabilityundertheremotetransmissiondelayuncertainty,amodelpredictivecontrolme

3、thodbasedneuralnetworkwasproposed.Thesimulationresultsshowthatwhenthecontrolnetworkhasdelay,withthecontrolsystemdelayvaluesizeandotherparameterschange,theconstantadjustsdynamicallythevalueofsystemcontrolparameterPIDcanmakethecontrolofcontrolledobjectwhichunknownt

4、oworkenvironmentbecomesstable,improvetheperformanceoftheremoteclosed-loopcontrolsystemtoreachtheuserdesiredresult.Keyword:remotecontrol;neuralnetwork;networkdelay;modelpredictivecontrol1引言远程控制系统是控制技术和网络通讯技术的融合，近几年在海洋开发、空间站维护、遥控手术、虚拟现实等许多领域的应用越来越普遍，稳定、快速、准确是远程控制系统

5、追求的最高目标[1]。闭环控制器根据反馈信息的扰动进行控制，即通过比较系统输出行为与期望行为之间的偏差，产生相应的控制作用去消除偏差，以获得预期的系统性能。因此它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。远程控制领域存在的时延现象是远程闭环控制应用领域中存在的一个普遍问题。时延不但存在于系统的前向控制通道，也存在于信息的反馈通道。前向控制通道中的延时使得控制信号不能及时作用于被控对象，反馈通道中的延时使得控制器不能及时发觉被控量的变化情况[2]。时延值受控制信息传输网络固有属性如网络结构、传送数据

6、量、传送时机及传输协议等因素影响[3]，时延值的大小从数小时到数天都是合理的[4]，其近似取值给远程控制系统的稳定和动态品质带来了很大问题[5]，对远程控制系统的时延问题进行分析和研究是本领域的一个长期课题。2远程控制中系统稳定性问题2.1时延对远程控制系统稳定性的影响8时延对远程控制系统的实时性、准确性及稳定性等多方面性能存在着诸多影响。对单连接机械臂二阶远程控制系统的动力学方程为[6]：其中，代表机械臂的角度，u代表DC电机的转矩。此机械臂的simulink框图如图1所示。图1机械臂的simulink框图Fig.1T

7、hesimulinkblockdiagramofmechanicalarm由于在远程控制系统中，前向通道和反馈通道一般是同一条物理链路，本文设前向通道和反馈通道延时Delay取值相等。首先置Delay延时时间为0，即无延时，调节PID参数使响应曲线达到理想值，然后保持此PID参数不变逐渐加大网络延时值，当网络延时值置为0.02s时，反馈曲线变得有些不规范如图2(a)所示，这时系统的性能比无延时时逐渐变坏；当网络延时加大到0.05s时，系统变成了振荡系统反馈曲线如图2(b)所示；继续加大延时到0.06s时，系统响应发散反馈

8、曲线如图2(c)所示，即系统变得不稳定了。可见随着延时值得逐渐增大从而使得控制系统越来越不稳定。(a)延时0.02s的响应曲线(b)延时0.05s的响应曲(c)延时0.06s的响应曲线图2延时对远程控制系统稳定性的影响Fig.2Thestabilityaffectoftheremotecontrolsystemdel