网络控制系统的广义预测控制研究

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1、摘要随着控制系统的日益复杂，控制网络已经广泛应用到工业控制中，由此产生了网络控制系统。由于控制网络中传送的数据包通常较短、发送／接收频率高且实时性要求较高，因此有限的网络带宽就使数据传输过程中彳i可避免地存在着延迟，而且随着网络协议、负载等诸多延时因素的影响，该延迟会随机变化。这就容易导致较大的超调量和较长的调节时间，严重影响生产过程的控制品质，而且会大大降低系统的稳定性。针对网络控制系统的这种不确定的时延，本文提出了一种基于改进的广义预测控制的控制器，并且针对多速率采样系统也进行了广义预测控制器的设计。首先设计了一个基于以太网的网络控制系统：包括基于ISA总线的数据采集控制卡的设

2、计和通讯软件的设计部分。控制器的设计是基于广义预测控制(GPC)的。由于GPC的在线计算量较小，以多步预测优化代替一步预测优化，即使对时延估计不当或时延发生变化，仍能从整体优化中得到合理的控制。所以GPC对于这种不精确的延迟系统具有一定的控制效果。同时，针对网络控制系统的特点，对传统的GPC进行了改进，主要包括：加权输入的控制量，充分利用预测的控制信息并可以防止系统的超调：利用模糊算法进行补偿，使得系统更快的收敛。同时，本文探讨了多采样速率系统的广义预测控制，研究了在一定因果约束条件下的广义预测控制。由于控制器的设计主要是在MATLAB下实现的，而通讯程序和数据采集程序是在VC环境

3、下实现的，因此，本文利用了MATLAB的第三方接口MATCOM来实现了MATLAB和VC的接口和集成，不但保证了MATLAB计算的方便，而且提高了效率。最后，本文对系统进行了仿真实验研究。通过比较传统的PID算法、普通的GPC和改进的GPC的系统响应曲线，表明了此控制方法的有效性。关键词：网络控制系统，以太网，不确定延迟，广义预测控制ABSTRACTThefastdevelopmentofnetworktechnologieshasmadeitpossibletointegratenetwork—basedarchitecturesintocomplexcontrolsystems

4、．V、

5、／henatraditionalfeedbackeontrolsystemiSclosedviaaserialcornmunicationchannel，thenthecontrolsystemiScalledanetworkedcon仃olsystem(NCS)．Contr01networksdifferfromdatanetworksinimportantways，suchashavingshort，frequentpacketswithreal—timerequirements．Sinceallthedatasharethelimitedcommunicationch

6、annel．therewillbeunavoidabledelay．Thcdelaycalldegradetheperformanceofthecontrolsystemandcanevendestabilizethesystem．AsfortheEthernetbasedNCS，thedelayisuncertainandstochastic．ThepaperfirstdesignsanNCSbasedonEthernet．Inthesystem，twocomputers，workingassensor／actuatorandcontrollerrespectively，arec

7、onnectedonEthernet．EachcomputerfurlstheVCcommunicationprogramastheuserinterface．ThecontrollerisdesignedbasedonGPC。whichisimprovedintwoparts．First，thepredictedcontrolsignalsareusedfllllytoimprovetheperformance．Inadditionthefuzzyalgorithmareusedtocompensatefortheinaccuratepredictedcontrolsignal．

8、ThepaperalsodesignedtheGPCcontrollerformulti—ratesamplingcontrolsystem．ThecomputationforsimulatingthecontrollerisimplementedinMATLAB．Byusingthethirdpartinterface—MATCOM．MATLABandVCarcintegratedtoincreasethecomputationspeed．Intheexperime