网络控制系统时延在线测量及其补偿方法研究

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1、浙江工业大学硕士学位论文摘要网络控制系统时延在线测量及其补偿方法研究摘要随着控制系统规模的日益扩大以及网络技术的飞速发展，基于网络的控制系统，由于具有连线少、可靠性高、易于扩展以及能够实现信息资源的共享等优点，正阔步进入控制工程中，控制系统向着网络化、集成化、分布化、节点智能化方向迈进。但由于通信网络的引入，使得控制系统中不可避免地出现诸如网络诱导的时延、数据包多包传输、数据丢失，网络资源调度等许多新问题。目前，网络控制系统的分析与设计已成为控制界新的研究热点。本文在介绍网络控制系统基本问题及分析影响网络控制系统中随机时

2、延各因素的基础上，研究了网络控制系统时延在线测量和时延补偿问题，构建了嵌入式以太网网络控制实验系统，在此平台上实现了本文提出的基于硬件的在线时延测量方法，并将本文提出的时延补偿算法用于直流电机控制。主要工作如下：(1)比较详细地介绍了网络控制系统的一些基本概念、存在问题及目前的研究现状。(2)介绍了影响网络控制系统中随机时延的各种因素，包括MAC层的CSMA协议、传输层协议、多任务共享单CPU导致任务释放时间不确定等引起的时延，通过仿真验证了随机时延对控制性能的影响。在分析占先式实时操作系统和传统编程方法对多任务调度的基

3、础上，得出在硬件环境一定的情况下，采用实时操作系统将会明显减少数据处理时延。鉴于占先式实时操作系统pC／OS—II优异的性能及源码公开、浙江工业大学硕士学位论文摘要移植简单等特点，本文选用pC／OS．II操作系统来实现任务调度。(3)构建了一个嵌入式以太网网络控制实验系统，包括负责数据采集、以太网数据传输及控制量输出的嵌入式测控节点，负责控制算法运算的嵌入式ARM控制服务器。在测控节点及嵌入式ARM服务器上成功移植了实时操作系统pC／OS．II，实现了TCP／IP协议栈，根据测控节点和控制服务器端实际情况合理划分任务及其

4、优先级，保证数据处理的实时性。(4)在分析以太网网络控制系统中随机时延构成的基础上，提出了一种在以太网中不存在同步时钟的情况下，基于硬件的在线时延测量方法，并在本文设计的网络控制实验系统上实现。实验表明本方法测量的时延与RRT方法测量的结果相比较达到较高的精度。(5)为了克服以太网中随机时延对控制性能的影响，在介绍了一种基于动态修正预测模型的时延补偿方法的基础上，针对此方法的局限性——随机时延只能小于一个采样周期及动态修正预测模型而导致计算量急增，从不同的角度提出了时延补偿方法——基于对象一步(多步)输出预测的时延补偿方

5、法，通过基于Truetime的仿真和在局域网内对直流电机的控制实验，验证了本方法的有效性。(6)论文最后对研究工作做了一个简要的总结，并提出了需要进一步解决的若干问题。关键词：网络控制系统，嵌入式实时操作系统，时延在线测量，时延补偿，一步(多步)预测输出，动态模型修正Ⅱ浙江工业大学硕士学位论文ABSTRA(了RESEARCHOFSTOCHASTICTIM匝DELAYCOⅣ田ENSATIONBASEDONONLINEDELAY-MEA趴瓜EMEl呵TFORNETWORKEDCONTROLSYSTEMSABSTRACTWit

6、hincreasingcomplexityofcontrolsystemsandfastdevelopmentofnetworktechnologies，controlsystemsbasedonnetworksarewidelyappliedinthemodemindustrycontrolduetoitsadvantagesoflesswires，hi曲reliability,goodflexibilityandshareofinformmionresources，etc．Controlsystemsdevelopt

7、owardtobenetworked，integrated，distributed，intelligent．Thecontrolsystemisloopedvianetwork，andsomenewissuesappearduetothelimitednetworkbandwidth，suchasstochastictimedelay,multiple-packettransmission，data-packetsdropoutandnetworkscheduling．Atpresent，theresearchofnet

8、workedcontrolsystemsbecomesafocusincontrolengineering．Thenewmethodsofonlinestochastictimedelaymeasurementanditscompensationinthenetworkedcontrolsystemarestudie