网络控制系统下预测控制算法的实现

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1、摘要摘要通过网络形成闭环的反馈控制系统称为网络控制系统(NetworkedControlSystem)，它是控制科学与高速发展的网络技术及通信技术相结合的产物，NCS的主要优点是可以实现资源共享，具有高的诊断能力、安装和维护简单及系统的高度灵活性和可靠性，所以有着广泛的应用前景。但它同时不可避免地存在网络诱导时延、数据包丢失、单包和多包传输、网络调度等网络控制中的相关问题。因此，网络控制系统给控制领域的研究带来新的机遇和挑战。本文主要针对网络控制系统中网络延时和数据丢包这两个基本问题做了如下工作：(1)在介绍网络控制系统的产

2、生背景、概念和特点的基础上，着重介绍了网络控制系统存在的几个问题及其近年来的研究进展。概括介绍了本文的主要研究工作。(2)介绍了广义预测控制(GPC)的发展，广义预测控制的基本算法和特点以及控制器参数对系统性能的影响。重点讲述广义预测控制基本算法的推导和Diophantine方程求解的流程图。(3)本文针对网络控制系统延时这一基本问题，提出了一种基于广义预测控制的网络控制系统的控制方法。并且执行器节点提出了选择机制的方法，采取GPC算法的预估和选择机制选择相结合的方法，来补偿网络控制系统中的延时。通过理论推导对所提出的方法进

3、行了稳定性分析，给出了稳定性结论。(4)对数据丢包问题，把数据包在一个采样周期内没有到达称之为丢失，本文同样采用GPC+选择算法解决网络控制系统中的丢包问题。控制思想同时延问题一致。(5)以三容水箱为研究对象，通过编写程序验证了控制算法的有效性。最后，对论文的工作进行了总结，指出了今后进一步研究的方向。关键词：网络控制系统，网络诱导时延，数据丢包，GPC，选择机制Ⅰ大摘要网络控制系统下预测控制算法的实现大摘要随着电子、计算机和网络通信技术的发展以及控制和管理要求的不断提高，使得控制系统的结构越来越复杂，空间分布越来越广，对控

4、制系统的要求也愈发提高。而传统的点对点结构的控制系统结构也随之显示出一定的局限性，这主要表现在连接繁杂，维护、升级、改进控制系统比较困难。此外这种控制系统结构也不适合如模块化、分散化、综合诊断、维护快速简易和低成本等一些新的控制要求。在这种情况下，提出了网络控制系统的概念。网络控制系统(NCS)是指传感器、执行器以及控制单元通过通讯网络连接的系统。与传统的控制系统相比，NCS更加复杂，这样的系统可以减少布线从而降低成本，具有高的诊断能力，易于维护。广泛应用于飞行器及制造行业。本文主要针对网络控制系统中网络延时和数据丢包这两个

5、基本问题做了如下工作：(1)在介绍网络控制系统的产生背景、概念和特点的基础上，着重介绍了网络控制系统存在的几个问题及其近年来的研究进展。概括介绍了本文的主要研究工作。(2)介绍了广义预测控制(GPC)的发展，广义预测控制的基本算法和特点以及控制器参数对系统性能的影响。重点讲述广义预测控制基本算法的推导和Diophantine方程求解的流程图。(3)本文针对网络控制系统延时这一基本问题，提出了一种基于广义预测控制的网络控制系统的控制方法。并且执行器节点提出了选择机制的方法，采取GPC算法的预估和选择机制选择相结合的方法，来补偿

6、网络控制系统中的延时。通过理论推导对所提出的方法进行了稳定性分析，给出了稳定性结论。(4)对数据丢包问题，把数据包在一个采样周期内没有到达称之为丢失，本文同样采用GPC+CS解决网络控制系统中的丢包问题，控制思想同时延问题一致。(5)研究了以上的控制算法在实际中的应用问题。本文以QXLLT-3三容液位控制实验装置作为实际的被控对象，在传统工业控制系统通信类型的基础上，结合使用标准互联网，构成一个网络化的小型集散控制系统，通过编写软件，实现数据采集，算术滤波，网络传输，控制算法等功能，并一定条件下模拟诱导时延，多包传输等现象，

7、从而在实际应用中验证所设计的控制算法。作为一种新型的计算机控制算法，预测控制是有其鲜明特征的。是一种基大摘要于模型，滚动实施并结合反馈校正优化控制算法。预测控制汲取了优化控制的思想，但利用滚动的有限时段优化取代了一成不变的全局优化。这虽然在理想情况下不能导致全局最优，但由于实际上不可避免存在模型误差和环境干扰。这种建立在实际反馈信息基础上的反复优化，能不断估计不确定性的影响，并及时加以校正，反而要比只依靠模型的一次优化更能适应实际过程，有更强的鲁棒性。所以，预测控制是针对传统最优控制在工业过程中的不适用性而进行修正的一种新型

8、优化控制算法网络控制系统作为网络技术和控制技术的交叉学科，涉及了网络和控制等诸多领域的内容，随着计算机网络及通讯技术的发展，现在已成为研究的热点之一。随着被控对象和控制系统日益复杂化，控制系统各部件间需要交换的信息越来越多，网络控制系统和传统的点对点结构的控制系统结构相比，更符合现代控制的