网络化控制系统中的延时补偿问题研究_开题答辩

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1、网络化控制系统中的延时补偿问题研究NCS的定义在现代工业和商业系统中，一个主要的趋势就是将计算、通信、控制一体化到用于信息处理或者工厂运转的不同层次。使用专用或公用计算机网络代替传统控制系统中的点对点结构，实现传感器、控制器和执行器等系统组件之间的控制信息可以相互传递，分布式系统在大范围的区域内用大量连接在一起的装置来执行期望的操作。这在大型工业过程控制系统、楼宇自动化、办公和家庭自动化、智能车辆系统以及先进的航天器、太空船、舰船以及远程操作机器人等中都正在或者将要得到使用。在这样的控制系统中，检测、控制、协调和指令等各种信号均可通过公用数据网络进行传输，而估计、控制和

2、诊断等功能也可以在不同的网络节点中分布执行。通过网络形成闭环的反馈控制系统称为网络控制系统(NetworkedControlSystems，简记为NCS)。NCS的优点ＮＣＳ与传统的点对点结构的系统相比，可以实现资源共享和远程操作与控制，具有较高的诊断能力，安装与维护简便，能有效减少系统的重量和体积，并增加系统的灵活性和可靠性。另外，使用无线网络技术还可以实现用大量广泛散布的廉价传感器与远距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的ＮＣＳ，这是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的。课题方向的重要性但是ＮＣＳ在通过共享网络资源给控制系统带来各种优点的同时，也给系统和控制理论的

3、研究带来了新的机遇和挑战。从一个宽的角度来看，迄今NCS的研究集中在受以下三种主要的通信约束之一约束的系统：1）控制器和控制对象通信的位速率的限制，2）通信受限，3）传送延时。其中，传送延时是由于信道竞争、物理信号编码和通信协议处理等带来的额外开销，在控制器、执行器和传感器之间不可避免地产生的，这些时延统称为网络时延。根据所采用的网络协议和设备的不同，网络时延可能是确定的、有界的或随机的，它们在不同程度上降低了系统的控制性能，甚至造成系统的不稳定。尤其当网络上存在多个控制回路时，网络时延会使各回路之间产生耦合，从而使网络控制系统的分析和设计更加复杂。因此，网络时延是研究

4、NCS的关键因素，既要减小延时降低其不确定性，又要克服延时对控制系统的不利影响。国内外研究现状NCS是通讯网络和控制系统的有机结合，对NCS的研究包括控制和通讯网络两个方面，所以研究网络控制系统的时延问题也是从两个不同角度进行。另外，还可以将两种结合起来进行分析，从而解决网络控制系统的时延问题。控制角度的研究现状从控制角度出发，基本思想是将网络协议、拓扑结构、信道负载和网络时延等作为已知条件，将NCS看作带有时延的复杂控制系统进行分析并设计相适应的控制器，保证系统良好的控制性能和稳定性。取决于网络硬件或软件，网络延时具有不同的特性，为了分析带有网络延时的闭环控制系统，我

5、们需要对延时建模。由于网络中变化的网络负载、调度策略以及节点和网络故障，网络延时也是变化的。在这里，我们将延时分为三种模型：常数延时模型、时延之间相互独立的随机延时模型与马尔可夫链下的随机延时模型。从控制角度出发的研究方法就是按这三种模型展开的。目前对于延时的处理方法主要是控制器的设计和延时补偿方法的研究。鉴于延时和系统的不确定性，可设计一个鲁棒控制器，但如果不确定性不能精确的描述，随机或鲁棒控制器设计相对来说比较保守。另外，将网络和控制参数合成在一起的智能控制器的设计用于进一步改善网络和控制性能将得到进一步的研究。在离散时间域内有一种处理网络诱导延时的新方法，通过把时

6、变延时看作一个不确定的参数，NCS用一个具有延时输入的离散时间参数不确定系统来描述。利用时域的鲁棒控制理论，得到了NCS渐近稳定的充分条件。由于得到的结果是线性矩阵不等式的形式，所以适合于应用。这种方法的另一个主要优点便是它不需知道网络诱导延时的可能分布情况。进一步的研究将扩展到具有丢包的情况。在许多复杂的系统中，尤其是那些具有远程传感器，执行器和处理器的系统，一个通信网络可以用于集结传感器数据和发送控制器信号。然而，任意要求的多用户网络的使用增加了网络负载，引起反馈环中的随机延时。这类系统可用有限维的离散时间跳跃线性系统来描述，转换跳跃模型为有穷状态的马尔可夫链。关于

7、马尔可夫跳跃系统稳定性与最优控制问题的研究已在许多文献中描述。此外，Feng-LiLian分析并建模了带有多重延时的MIMO网络化控制系统。传感器到控制器之间的延时，控制器到执行器之间的延时以及不同设备的采样时间抖动都被考虑到并包括在离散时间MIMO模型的微分方程中，因此控制系统和网络系统设计者都可以用这个模型来设计NCS并优化它们的全局性能。通信角度的研究现状从通讯网络角度出发，基本思想是从拓扑结构、任务调度算法和介质访问控制层协议等方面提出解决方案，满足系统对实时性的要求，同时减小网络时延和时延的不确定性。我们还可以将网络协议和调度这