基于隐马尔可夫模型的网络控制系统研究

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1、摘要网络控制系统是一种分布式实时控制系统，它与传统控制系统的区别在于网络控制系统中的控制器、传感器、执行器均作为网络节点，通过共享的网络信道发送和接收测量信号和控制信号。由于采用共享网络信道传输信号，将不可避免地引入时延和丢包的问题。为了补偿时延和丢包的引入对控制系统性能的影响，需要对网络的状态进行建模，以描述其动态特性。本文利用隐马尔可夫模型f}{MM)对网络控制系统进行建模，并建立了基于校园网的网络控制实验平台。本文的主要工作有以下几个方面：介绍了网络控制系统的概念、产生发展的背景、结构、优势、存在的问题，随后网络体系结构及协议、调度算法和控制策略三方面介绍了当前主要的研究

2、方法。针对网络特性的描述和建模这一网络控制系统要解决的基本问题，引入了隐马尔可夫模型，介绍了隐马尔可夫模型的定义、类型、基本问题和基本算法，分析了用隐马尔可夫模型来描述网络控制系统的原因和优势。为了更好地揭示网络控制系统中实际存在的问题，在实际系统中验证控制算法的优劣，建立了基于校园以太网的网络控制系统实验平台，并从以太网的特性出发，详细阐述了基于校园以太网的实验平台的软硬件结构和各部分的实现方法，并通过该实验平台获取了网络时延和丢包的实验数据，为进一步的理论分析提供了实验基础。利用上述实验平台采集的时延和丢包数据，建立了网络控制系统的隐马尔可夫模型，并对该模型的有效性进行了评

3、估。利用分段和实时隐马尔可夫模型进行时延和丢包的预测，用以时延丢包的补偿，并在基于校园网的实验平台上进行了闭环控制实验，实验结果进一步证实了该模型的有效性。关键词：网络控制、时延、丢包、隐马尔可夫模型、校园网实验平台IIAbstractNecworkedcon仃01systcm(NCS)isakindofdis缸_ibutedreal一石mecon仃01system．TheiInportantfcamreofsuchNCSistha‘insteadofpoint-to_pointconnecdon，sensors．actuatorsandcontr01lersareanconn

4、ectedtotbenemorkasnodes．Thedisadv趾tageinherenttoNCSismene仰orkinduceddelayandpacket10sswhichoccurwhileexchangingdatathroughthesh盯edmedi啪．InordertopmVidemebestperfbrmance，aneMorkmodelisneededtodescribemedynanlicfbamreofne脚orkstate．HiddenMarkovModel(HMM)is1lsedtomodel也eⅡet、jlrorkedconnDlsystem，

5、andaclose—loopcon甘olpilotpla哟吼ov盯c雅lpusn咖VOrkisbuinup．Themainresearchworkisasfollows：NCS’background，basicconcept，adVantagesanddisadV卸tagesarein缸Dduced．AsurveyofNCSrcsearchmethodsincon廿01山eo彤ne觚0rkschedule卸dne呻orkdevicesis百Ven．111econc印t，claSsi6cation，basicproble螂andalgorithmsofHMMarein廿oduce

6、d．Followingth砖theadvan士ageofmodelingthenctworkwithHMMisanalyzed．Apl甜b肋overcampusE也emetforcxpcrimentisdesigned．nehardware凹dsofnⅣaresmJcturesareiⅡtroduced．Theconceptsand踊ticalimplememsofmainmodulesaregiven．wi血血eplatfbrm，weget血eQoS((Ⅻali够ofService)dataofmene锕ork．AHMMisbuiltforNCSwi血QoSdatac01le

7、ctedwhichincludesboththetimedelayandpacketlossinfomation．Toevaluated也emodel，Ac10se—loopcon缸D1eXpe疵峋1toverc锄pusne觚orkisdesi乒ed．Theexperimentresukshow也evalid畸ofthehi(1denMarkovmodel．Fi姐lly，arealtimeⅡMMisgiVentoimproVetheperfb肋anceofnleⅡe铆orkedcon仕01s