基于预测控制的网络传输时延补偿的研究

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网络控制系统(Networked Control Systems,NCS)是控制科学、计算机及网络技术的综合应用,是一种新兴的分布式实时控制系统。通信结构已经由传统的端对端的通信模式向通用总线形式转变,随之而来的网络资源的竞争所带来的网络时延赋予传统的控制理论和方法新的含义和研究内容,所以近些年来对网络控制系统的研究已经成为了控制界新的热点方向。对网络控制系统的时延的研究是其中重要研究内容之一,所以本文针对这个基本问题进行了相关研究。   本文以网络控制系统为研究对象,首先介绍了网络控制系统的典型结构、驱动方式,在研究了大量文献的基础上,分析了网络控制系统在理论研究和实际应用中尚存的问题。给出了网络控制系统时延分析,然后介绍了基于MATLAB/Simulink的网络控制系统仿真工具——TureTime1.5。以直流伺服电机为被控对象,构建一个网络控制系统时延仿真模型,在Ethernet、CAN、Round Robin和Switched Ethernet四种网络模型条件下,讨论了网络时延和系统输出仿真结果。结果表明,此仿真平台有助于网络控制系统时延分析,也对进一步研究NCS时延补偿技术提供了有利的保障。在网络控制系统中,随机传输时延大大降低了系统控制性能,还可能导致系统不稳定。   针对以太网在网络控制系统中的随机传输时延问题进行研究,提出了一种基于动态矩阵控制的网络控制系统时延补偿控制方案。采用动态矩阵控制算法设计控制器,通过网络时延补偿器和动态缓冲器整定控制量,使系统输出迅速跟踪突变输入,控制作用快速平衡过渡,提高了系统在随机时延情况下的稳定性能。利用TureTime工具箱进行仿真实验,结果表明了该算法在处理网络控制系统中时延问题的有效性和可行性。通过对网络控制系统中动态矩阵控制算法的模型参数研究,分析了参数变化对系统的影响。首先对基于动态矩阵控制的网络控制系统结构模型进行了描述。同时,又对动态矩阵控制算法的主要模型参数进行了分析,说明了系统主要参数对网络控制系统性能的影响,特别说明了对系统稳定性的影响。进一步又将动态矩阵控制的参数进行了整定,提出了进行参数设计时要注意分析的步骤。最后再通过实验仿真研究,对系统主要参数进行了输出曲线分析,更加验证了系统的稳定性,并给出了使系统稳定的参数范围。
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