基于DMC的网络控制系统的研究

I基于DMC的网络控制系统的研究专业：电气工程及其自动化姓名：12指导老师：12摘要随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，控制系统的结构正在发生变化。传统的控制模式存在成本高、可靠性差、故障诊断和维护难等弊端。为了解决这些问题，将网络引入到控制系统中。网络控制系统是最新形式的分布式实时反馈控制系统，具有信息资源能够共享、连接线数大大减少、易于扩展、易于维护、效率高、可靠性高、灵活性高等优点，因此，使得网络在商业和工业领域取得了广泛的应用，所以需要研究网络环境下的控制策略。网络控制系统的最大约束来自随机的网络时延，如何有效地克服网络时延带来的影响，已经成为网络控制系统设计的一个重点。本文采用MATLAB软件实现网络控制系统中预测控制算法的仿真，从而分析预测控制对网络控制系统的影响，同时与传统的PID控制方法相比较验证了前者对网络控制系统的补偿功能。本文的结果表明:由于DMC算法以对象的阶跃响应为模型，它对过程的模型要求低，算法简单，容易实现，同时在优化过程中不断利用测量信息进行反馈校正，能够在一定程度上克服不确定性的影响，因此该算法适用于网络控制系统。本文针对单输入单输出网络控制系统中存在的时滞和数据丢包问题，采用了DMC算法设计控制器,使系统的输出达到预先给定的要求。最后通过DMC算法与传统PID算法的仿真实验，证实了采用算法处理网络控制系统中时滞和数据丢包问题的可行性和有效性。关键词网络控制系统，预测控制，动态矩阵算法，TrueTime软件，MATLABII软件ABSTRACTWiththeextensiveuseofcomputernetworksandnetworktechnologycontinuestodevelop,controlsystemstructureischanging.Theexistenceofthetraditionalcontrolmodelofhighcostsandpoorreliability,faultdiagnosisandmaintenanceofsuchdefectsdifficult.Tosolvetheseproblems,theintroductionofthenetworktothecontrolsystem.Networkcontrolsystemisthelatestformofdistributedreal-timefeedbackcontrolsystem,withinformationresourcestoshare,significantlyreducedthenumberoflinks,easyexpansion,easymaintenance,highefficiency,highreliability,highflexibility,therefore,makesnetworkcommercialandindustrialareasawiderangeofapplications,soitisnecessarytoresearchnetworkenvironmentcontrolstrategies.Networkcontrolsystemfromtheconstraintsofthelargestnetworkofrandomtimedelay,howtoeffectivelyovercometheimpactofnetworklatency,networkcontrolsystemhasbecomeafocusofthedesign.Inthispaper,theuseofMATLABsoftwareinnetworkedcontrolsystemspredictivecontrolalgorithmofthesimulation,analysisandforecastinginordertocontroltheimpactofnetworkcontrolsystem,atthesametimewiththetraditionalPIDcontrolmethod,comparedtoverifythattheformercontrolsystemofnetworkcompensation.Inthispaper,theresultsshowthat:AstheDMCalgorithmtoobjecttothestepresponsemodel,themodelofitslowprocess,thealgorithmissimple,easytoIIIimplement,atthesametimeoptimizingtheprocessofcontinuouslymeasuringtheuseofinformationfeedbackcorrectioncanbeovercometosomeextenttheimpactofuncertainty,sothealgorithmisappliedtothenetworkcontrolsystem.Inthispaper,single-inputsingle-outputcontrolsystemnetworksthatexistinthetime-delayanddatapacketlossproblems,theuseoftheDMCcontrolleralgorithmdesign,thesystemoutputtoreachpre-setrequirements.Finally,throughthealgorithmwiththetraditionalmethodofsimulationexperiments,confirmedtheuseofalgorithmstodealwithtime-delaycontrolsystemnetworkanddatapacketlossonthefeasibilityandeffectiveness.Keyword：Networkcontrolsystem,Forecastcontrol,Dynamicmatrixalgorithm,TrueTimesoftware,MATLABsoftwareI目录摘要……………………………………………………………………………错误!未定义书签。ABSTRACT………………………………………………………………………错误!未定义书签。1.绪论…………………………………………………………………………错误!未定义书签。2.网络控制系统………………………………………………………………错误!未定义书签。2．1网络控制系统产生的背景……………………………………………错误!未定义书签。2．2网络控制系统的定义与结构…………………………………………错误!未定义书签。2．3网络控制系统工作模式………………………………………………错误!未定义书签。2．4网络控制系统中的基本问题…………………………………………错误!未定义书签。2．5网络诱导时延及其影响………………………………………………错误!未定义书签。2．5．1网络时延的定义…………………………………………………错误!未定义书签。2．5．2网络时延的组成………………………………………………错II误!未定义书签。2．5．3网络时延对控制系统性能的影响………………………………错误!未定义书签。2．6网络控制系统控制方法研究…………………………………………错误!未定义书签。2．6．1增广确定离散时间模型法……………………………………错误!未定义书签。2．6．2缓冲队列模型法………………………………………………错误!未定义书签。2．6．3最优随机控制模型法…………………………………………错误!未定义书签。2．6．4摄动模型法……………………………………………………错误!未定义书签。2．6．5采样时间规划模型法…………………………………………错误!未定义书签。2．6．6鲁棒控制模型法………………………………………………错误!未定义书签。2．6．7模糊逻辑调节模型法…………………………………………错误!未定义书签。3.动态矩阵预测控制算法在网络控制系统中的应用………………………错误!未定义书签。3.1预测控制的基本理论…………………………………………………错III误!未定义书签。3．1．1预测控制的产生………………………………………………错误!未定义书签。3．1．2预测控制的原理与特点………………………………………错误!未定义书签。3.2动态矩阵控制算法的基本原理………………………………………错误!未定义书签。3.3网络控制系统(NCS)时延问题的动态矩阵控制……………………错误!未定义书签。4.模块搭建及MATLAB仿真……………………………………………………错误!未定义书签。4.1网络控制系统仿真工具箱TrueTime…………………………………错误!未定义书签。4．1．1TrueTime简介…………………………………………………错误!未定义书签。4．1．2TrueTime启动与安装…………………………………………错误!未定义书签。5.结论与展望…………………………………………………………………错误!未定义书签。5.1结论……………………………………………………………………错误!未定义书签。5.2展望……………………………………………………………………错IV误!未定义书签。参考文献………………………………………………………………………错误!未定义书签。致谢………………………………………………………………………错误!未定义书签。11.绪论网络控制系统是计算机网络与自动化技术交叉发展的产物之一，它是把网络作为控制的一种手段，可以称之为“网络自动化”。在网络控制系统中，网络不仅是控制系统的数据传输的一种媒介，同时也是控制系统的一部分。网络控制系统与传统的控制系统相比可以减少系统的连线，降低系统的成本，使得结构灵活，易于扩展和维护，还能实现系统资源的共享。虽然网络控制系统有很多的优点，但是由于网络带来的诱导时延对控制系统的性能有很大的影响，因此网络化控制系统的分析与设计成为目前控制理论与控制工程领域的热点研究课题。2.网络控制系统2．1网络控制系统产生的背景随着计算机网络的广泛使用和网络技术的不断发展，控制系统的结构正在发生变化。传统的控制模式往往通过点对点的专线将传感器信号传送到控制器，而后，再通过点对点的专线将控制信号传送到执行器。此类结构模式下的控制系统往往布线复杂，使得系统成本增加，降低了系统的可靠性、抗干扰性和灵活性，扩展不方便。特别地，随着地域的分散以及系统的不断复杂，采用传统布线设计的控制系统成本高、可靠性差、故障诊断和维修难等弊端更加突出。为了解决这些问题，将网络引入到控制系统中，采用分布式控制系统来取代独立式控制系统，使得众多的传感器、执行器和控制器等系统的主要功能部件通过网络相连接，相关的信号和数据通过通信网络进行传2输和交换，从而避免了彼此间专线的敷设。而且可以实现资源共享、远程操作和控制、提高系统的诊断能力、方便安装与维护，并能有效减少系统的重量和体积，增加系统的灵活性和可靠性[1]。2．2网络控制系统的定义与结构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）[2].网络控制系统是一种空间分布式系统。被控对象、传感器、控制器以及驱动器由一个有限带宽的数字通信网络连接。目前的网络控制系统结构可以用图1描述被控对象1被控对象nSASA网络控制器1控制器n…………图1典型网络控制系统结构与信息流向图从图1可以看出，在一个网络控制系统中，被控对象、传感器、控制器和执行器可以分布在不同的物理位置，他们之间的信息交换由一个公共的网3络平台完成。这个网络平台可以是有限网络、无限网络或混合网络。目前常用的网络环境有DeviceNet、Ethernet、Firewire、Internet、WLAN(wirelessloc