互联网环境下的网络化控制系统调度优化与应用

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1、博士学位论文互联网环境下的网络化控制系统调度优化与应用DISPATCHINGOPTIMIZATIONOFNETWORKEDCONTROLSYSTEMSUNDERTHEINTERNETANDITSAPPLICATION王湛昱哈尔滨工业大学2018年1月国内图书分类号：TM301.2学校代码：10213国际图书分类号：62-5密级：公开工学博士学位论文互联网环境下的网络化控制系统调度优化与应用博士研究生：王湛昱导师：刘国平教授申请学位：工学博士学科：控制科学与工程所在单位：航天学院答辩日期：2018年1月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM301.2U.

2、D.C:62-5DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringDISPATCHINGOPTIMIZATIONOFNETWORKEDCONTROLSYSTEMSUNDERTHEINTERNETANDITSAPPLICATIONCandidate:Zhan-yuWangSupervisor:Prof.Guo-pingLiuAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:ControlScienceandEngineeringAffiliation:SchoolofAstronau

3、ticsDateofDefence:January,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要网络化控制系统通过网络作为信号传输媒介将控制器、传感器、执行机构、被控对象等控制单元集成为完整的控制系统，以其分布式的组织结构在远程控制、遥操作等领域体现出得天独厚的结构优势。随着互联网技术的飞速发展，千兆网(1Gb/s)、万兆网(10Gb/s)级别的交换、路由设备逐渐成为互联网中的主要组成部分，使得互联网对于实时性较强的应用有更好的服务质量。而对基于互联网的网络化控制系统的研究也借此机遇成为研究领

4、域中的热点问题。与传统的部署在局域网或专用网内的网络化控制系统不同，以互联网为数据传输媒介的网络化控制系统体现出两方面的特点：一方面，互联网广泛的覆盖范围以及接入的便利性为我们大范围、大规模、低成本地部署网络化控制系统提供了通信层面的有力保障；另一方面，由于互联网在数据传输过程中复杂的路由与传输机制，导致数据的网络延时体现出特有的随机过程特征。如何克服互联网数据通信的缺点，利用互联网数据传输的优势，提高基于互联网的网络化控制系统的性能是研究人员需要面对的核心问题。鉴于上述研究契机，本文重点研究了互联网通信路径与控制系统性能的关系，提出了基于控制信号传输调度的基于互联网的网络化控

5、制系统优化方法。首先，建立了多节点网络环境下控制信号直接路径、多跳路径与网络化控制系统性能间的关系；进而，通过对控制信号传输路径的调度改善了被空对象端控制信号入口处控制信号网络延时、丢包的特性；最终，实现了在既有的网络环境下降低网络通信对网络化控制系统品质的影响，提高系统性能，增强系统鲁棒性的目的，体现了网络化控制系统中控制信号由网络而非传统上直连链路传输的特点，明确了网络作为网络化控制系统的载体地位。经过理论分析和实验验证，本文取得以下研究成果：1.提出了控制信号到达时刻的概念，通过解除现有的时间依赖网络最短路径理论中的限制条件，给出了最早到达路径定理和最早到达路径搜索算法。

6、该算法使延给出路径传输的控制信号能够以当前网络上最短的延时到达被控对象端，实现了控制信号传输中网络延时的优化，优化了网络化控制系统模型中的延时参数，降低了网络化控制系统设计时的保守性。2.基于带有定常时滞和丢包的切换系统模型和用以描述控制信号传输过程的符合泊松过程模型，以系统的指数衰减率为性能指标，建立了网络中控制信号直接传输路径与系统性能的关系。进而，给出了控制信号经多跳路径传输的-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文情况中，控制信号传输路径与系统性能的关系。由此提出并解决了网络中使系统性能最优的控制信号传输路径的问题。3.提出了采用网络中多条路径同时传输控制信号以增强系统性能

7、的控制信号并发传输方法。根据并发路径中各路径之间丢包的逻辑关系，结合丢包模型中连续丢包长度服从指数分布的性质，给出了并发路径传输模式下控制信号传输路径的组合与系统性能的关系。4.提出了一种基于预测的错误容忍策略。通过确定控制信号在网络传输路径中网络延时预测值在一定概率水平下的上界，给出传输路径上未来延时超过系统延时阈值的概率的，进而给出系统因网络延时变大而发生连续丢包故障的概率。根据所建立的网络延时预测值的上界与对应的概率水平的关系，基于动态规划法给出了网络中既有较低预测的延时水平又有较高预