[工学]网络控制系统系统的建模与设计.doc
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1、武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 网络控制系统的建模与设计 摘摘 要要: 网络控制系统(NCS)是随着网络通信技术、控制技术以及计算机技 的发展而逐渐发展起来的一门新兴学科。NCS 具有信息资源共享、 连线少、易于系统扩展和维护、灵活性高和可靠性高等优点。但由 于网络的介入,也给系统引入了许多问题,如会发生网络诱导延时、 数据丢包等等现象,这些都会影响 NCS 的性能指标,甚至会造成 系统的不稳定。 本文针对网络诱导时延小于采样周期的网络控制系统进行了分析, 并建立了其连续模型,利用 Lyapunov 稳定判定方法和线性矩阵不 等式描述分析了系统的稳定性的条件,随
2、后设计了被控系统的控制 器,最后通过仿真实例验证本论文设计控制器的有效性和可行性。 关键词:网络控制系统,Lyapunov,线性矩阵不等式,控制器设计,仿真 中国分类号:TP13 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) Modeling and Design of Network Control System Abstract:With the development of network communication technology, control technology and computer technology, Network Control Syste
3、m (NCS) gradually develops into a new discipline. NCS has advantages of information resources to share, connecting a small, easy system expansion and maintenance, high flexibility and high reliability. However, the system is also brought into a number of issues, such as the phenomenon of network- in
4、duced delay, packet loss, etc, which will affect the performance indicators of the NCS, or even cause system instability. In this paper, we analysis the NCS with network-induced delay less than the sampling period, and establish its continuous model, and obtain the condition for the system by using
5、Lyapunov stability methods and LMI. Then we design the controller for the system. Finally, the simulation results verify the validity of this thesis, and the feasibility of the controller. Keywords:Network control system, Lyapunov, Modeling, Controller design, Simulation 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(
6、设计) 目 录 1 绪 论1 1.1 引 言.1 1.2 网络的控制系统结构.3 1.3 网络控制系统的特点及影响因素.4 1.4 国内外研究概况.7 1.5 本文主要工作及结构.10 2 网络控制系统的建模及稳定性分析12 2.1 网络化控制系统的分析和设计.12 2.2 网络控制系统的建模.13 2.3 增广积分环节的构建.14 2.4 网络控制系统稳定性分析.15 2.5 本章小结.18 3 网络控制系统的控制器设计19 3.1 引 言.19 3.2 模型描述.20 3.3 控制器设计.21 3.4 本章小结.23 4 网络控制系统的仿真24 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学
7、士学位论文(设计) 4.1 引 言.24 4.2 TRUE TIME仿真器24 4.3 具有网络诱导时延的控制系统仿真 27 4.4 本章小结.30 5 总结与展望31 致谢33 参考文献34 湖北师范学院学士学位论文(设计)评审表38 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 0 网络控制系统的建模与设计 曾姚(指导教师,詹习生) (湖北师范学院控制科学与工程系,湖北 黄石 435002) 1 绪 论 1.1 引 言 上个世纪 50 年代前的工业控制系统都是模拟量的控制系统,这些系统 结构大多为集中式的星型结构,它的控制回路中的传感器、控制器和执行 器之间都是通过线缆实
8、现点对点的直接连接,而每一条线缆通常仅连接两 个节点。随着现代工业规模的不断扩大以及生产工艺流程不断的细化,越 来越多的指标和变量需要在工业控制系统中被测出来,在某些大型流程工 业系统中监控点需要测量的量数以万计,这使得传统的集中式控制系统自 身所固有的缺陷越来越明显,比如说系统的可靠性较低、安装与维护过程 复杂、成本高等。五六十年代之间,由于计算机在工业控制领域的应用逐 渐推广,这使数字控制系统逐渐普及,这较大的提高工业控制系统的可靠 性和可维护性。但从控制系统结构本身上来看,控制系统仍然采用集中式 结构,节点和节点之间通过点对点的线缆连接。这使得这类结构模式下的 控制系统的布线通常比较复杂
9、,使得控制系统成本增多,降低了系统的灵 活性、可靠性和抗干扰性,也给为后来系统的扩展带来了不方便。特别地, 随着控制系统的不断复杂以及地域的分散程度大,这让传统的布线设计的 控制系统成本变的更高、可靠性更差、故障诊断和维护更难等。 随着计算机网络技术的不断发展的和网络的广泛使用,控制系统的结 构正发生巨大的变化。现代控制系统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,进行相关的信号和数据的传输和交 换,从而避免了系统间专线的敷设。除此之外,还可以实现资源共享、远 程操作和控制,提高系统的诊断能力、方便安装
10、与维护,并能有效减少系 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 1 统的体积和重量以及增加系统的灵活性和可靠性。 通过网络形成的反馈控制系统称为网络控制系统 NCS(networked control systems)。网络化控制系统是通信、控制、网络技术融合发展所形 成的一个新的领域,自从其诞生以后,传统控制系统中控制部件点对点的 连接方式逐渐被取代。网络化控制的产生是适应科学进步的需要,是复杂 大系统控制和远程控制系统的客观需求,传感器、执行机构和驱动装置等 现场设备的智能化为通信网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物 质基础,而高速以太网和现场总线技术的发展和
11、成熟解决了网络控制系统 自身的开放性和可靠性问题,使网络控制成为现实。与传统的点对点结构 的系统相比,NCS 具有许多优点。另外,无线网络技术的使用还可以实现 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 的网络控制系统,而这些是传统的点对点结构的控制系统所无法实现的。 因此,NCS 的研究正成为国内外学术界研究的一个热点。 NCS 是各种技术交叉融合的必然产物,因此,研究 NCS 是技术发展的 客观需求。NCS 是随着计算机技术、网络通信和自动控制的发展而出现的 一种人造系统:它不仅具有分布式控制系统(Distributed Control Systems)的 特征,而且
12、具有混合动态系统(Hybrid Dynamic Systems)的特征。NCS 是在 很强的工程背景下提出来的,它本质上是现代计算机技术、网络通信技术 和控制技术渗透到连续制造和连续处理系统的产物;同时还包含有相互作 用的离散事件过程和连续变量过程的一类动态系统。对于 NCS 的研究,其 实质是基于适合现代高技术发展的需要特别是随着计算机的信息处理能力 的不断提高,信息存储能力的不断扩大,以及很强的多任务实时处理功能 和很强的网络通信功能,使得计算机和网络通信技术已经应用和渗透到各 种类型的工业生产过程中、军事系统中、现代交通系统中等,并且已经达 到了空前的程度。 NCS 这种深层次的应用和渗
13、透,在带来许多优点(系统成本低、安装维 护简便、灵活性高、可靠性高、易于实现资源和信息共享等等)的同时,也 给系统带来了一些新的挑战。第一,网络诱导时延的问题:因为连接到网 络的很多设备都要发送数据信息,而通讯介质是采用分时复用的方式进行 数据传输的,数据信息只有在等到网络空闲或设备的优先级相对较高时才 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 2 能发送出去,而且网络的带宽是有限的,所以这就不可避免地在控制回路 中引入了通讯延迟。此外,网络诱导延迟还和网络环境有关,如数据传输 速率、网络所采用的协议及网络的负载等等因素有关,这些因素都可能对 控制系统产生一定的影响,致使
14、控制系统的性能下降甚至使系统不稳定。 第二,数据丢包和多通道传输问题:通讯网络是一个不可靠的数据传输通 道,这可能使数据包在传输过程中发生丢失,并且由于网络带宽和数据包 大小通常是有限的,因此可能需要将一个相对较大的数据包分成为若干相 对较小的数据包分别进行传输。网络控制系统中丢包现象和多包传输问题 使网络化控制系统的分析与设计变得更加困难。第三,由于传输的数据流 经多个节点和通讯装置的路径并非是唯一的,因此这会导致网络诱导时延 和网络数据包的时序错乱。除上述三点外,还有误码问题、网络拥塞现象、 各种控制网络通信协议不统一不兼容等等问题。 这些问题的存在都会影响控制系统的性能指标,甚至会造成给
15、控制系 统的不稳定,因此给网络控制系统的分析和设计以及应用带来了很大困难, 所以对网络化控制系统的建模与设计方法进行研究是非常必要的,也是很 有意义的。 1.2 网络的控制系统结构 网络的控制系统也简称为网络控制系统(NCS)是一种由自动控制技术和 网络通信技术相结合而产生的一种控制技术。NCS 是一种空间分布式系统, ca 网 络 sc 执行机构被控对象传感器 控制器 图.1. 网络控制系统模型 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 3 由一个有限带宽的数字通信网络将控制器、被控对象、传感器、以及驱动 器连接起来而组成的控制系统。 图 1 给出了 NCS 的结构图。
16、在控制系统中引入通信网络前后最大的区 别在于:第一,单个控制循环通过通信网络形成了一个闭环反馈系统,所有 的数据和信号都在一条共享通信通道上进行传递,并且同一个通信网络可 以被多个控制循环使用,从而实现资源共享;第二,在控制器和执行器之间、 控制器和传感器之间存在网络传输时延。这一时延是由于的网络通信资源 有限而造成,如带宽、通信协议、调度等方面面的限制。 1.3 网络控制系统的特点及影响因素 在传统的计算机控制系统中,通常把信号传输环境当作理想的情况来 处理,认为信号在传输过程中不受外界影响,或其影响很小以至于可以忽 略不计。网络控制系统的性质在很大程度上取决于网络结构及相关参数的 选择,这
17、里主要包含数据传输率、数据包长度、数据量化参数等等。而在 网络控制系统中,网络环境的影响通常是不可以被忽略的,这些影响因数 主要包括以下几个方面: (1)、有限信道带宽的限制 任何通信网络在一定的时间内能够传输的信息量都是有限的。例如, 基于 IEEE802.11a,IEEE802.11b 和 IEEE802.11g 协议的无线网络带宽指标 分别为 11Mbps,54Mbps, 和 22Mbps。在许多实际系统中,带宽的限制给 整个网络控制系统的性能带来很大的影响,例如,用于安全需要的卫星导 航系统、传感网络、水下控制系统以及多传感多驱动系统等。对于这类 系统来说,怎样在有限带宽的限制下设计出
18、有效的控制方案,使得整个系 统的动态性能满足要求,是一个有待重点解决的问题。 (2)、采样和延迟 一个连续时间信号经过网络传送时,首先需要对这个信号进行采样, 经过编码处理后的信号通过网络传送到接收端,接收端再对接收到的编码 信号进行解码。与传统的数字控制系统不同的是网络控制系统中信号的采 样频率通常是非周期的而且是时变的。例如,在调度网络(如基于 CSMA 协议的 Device Net 和 Ethernet)中,信号在被传送前节点都要对网络状况进 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 4 行检测,当网络通道空闲时信号才开始被传送;否则,被传送的信号将处 于等待状态。
19、所以,当采样是周期性时,且传感器到控制器端网络处于非 空闲状态时,势必会导致大量待发信息在传感器端储存。这时需要根据网 络的现行状态对采样频率做出及时的调整,来缓解网络传输的压力,从而 保证网络环境的良好状态。 在网络控制系统中,不仅控制器的计算会造成系统的延迟,而且信号 通过网络的传输也会带来时间延迟。各种不同的网络接入协议往往会导致 各种不同性质的网络延迟,这个延迟可以是常数延迟、时变延迟甚至还可 能是随机延迟。对于周期服务网络,如 IEEE802.4、Profibus、IEEE802.5、 令牌网等网络,其按照一个周期顺序进行控制信号与传感信号的传输进行 调度的。由这类网络所带来的时间延
20、迟是周期性的。而如 Ethernet 和 DeviceNet 等网络,由于它们的接入协议是随机的,因此,在这类网络中, 信号传输延迟的不确定性与周期服务网络相比要大。产生网络延迟的主要 原因是信号在传输前的等待时间,这是因为信号在节点之间传输前,首先 要检测网络的是否拥塞,只有当网络空闲时新的信号才允许被传送,而这 个等待时间的长短是随机的,因此产生的信号传输延迟也就是随机的了。 针对基于此类网络的控制系统,在分析网络环境时,需要事先给出随机的 数学模型描述,通常认为延迟满足一定的统计规律,例如满足 Markov 链、 泊松过程、ARMA 以及流体模型。 由图.1.可知,在整个闭环系统中,信号
21、从传感器到驱动器经历的时间 延迟通常包括以下几个部分: (i)等待时间 。数据在被传送出去之前的等待时间,其诱导原因是 w 网络的拥塞现象; (ii)数据的打包时间。 b (iii)网络传输延迟。由于传输速率以及传输距离的限制因素,信 d 号通过物理媒介进行传播往往需要一定的时间。 我们用表示从控制器到驱动器的延迟,表示从传感器端控制器的 ca sc 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 5 时间延迟,。总的延迟 。 kscca (3)、数据丢包 在基于 TCP 协议的网络中,未到达接收端的数据被多次重复发送,从 而保证数据传输的可靠性。但是对于网络控制系统,由于系统
22、要求数据具 有比较高的实时性,因此,旧数据的重复发送已经不适合于对实时性要求 高的网络控制系统。在实际的网络控制系统中,当新的采样数据或控制数 据到达后,系统将会删除未发出的旧信号,从而造成数据的丢包。此外, 由于数据的受损或网络拥塞等原因,都可能会使到达接收端的数据与传送 端的数据不吻合。这些现象都被称为网络数据的丢失,即数据丢包。关于 数据丢包的数学描述通常采用两种方式。一种方法是给出两个采样时刻数 据丢包的总额;另一种是采用统计的方法,给出数据丢包的丢包比率以及 概率分布。前者将采用基于时滞系统理论的分析方法,而后者涉及随机系 统理论、切换系统理论以及稳定性理论等的研究方法。 (4)、单
23、包传输与多包传输 网络中数据的传输存在两种情况,一种是单包传输,另一种是多包传 输。单包传输首先需要将数据放在一个数据包里,然后再进行传输,而多 包传输指 NCS 中的传感器,控制器的一个待发送数据被分成多个数允许传 感器数据或控制器数据被分在不同的数据包内传输。之所以要这么做,主 要有以下两个原因:一个是因为大多数网络环境通常只允许传输比较小的 数据包。例如 Device Net 网络允许传输数据包的大小为 8 个字节,而 Ethernet 则可以允许所传数据包包含 1500 字节的数据量。另一个原因是, 在一个 NCS 中,传感器与驱动器往往分布在不同的地理位置,这使得数据 的传输是分步进
24、行的,若仍采用将数据打在一个数据包内进行传输已不再 适用了。 传统的采样系统通常假设控制输入与对象输出同时进行,而这种假设 显然不适合多包传输类型的 NCS 。对于多包传输网络,从传感器发送的数 据包到达控制器的时间是不同的,那么控制器何时对数据进行计算呢?在 有些文献中,人们提出在控制器端设置缓冲器,此时,控制器开始计算时 刻开始于最后一个分数据包到达的时刻。但是,由于数据丢包现象的存在, 武汉科技大学 2011 届控制科学与工程系学士学位论文(设计) 6 一组传感信息可能仅有一部分到达控制器端,而其它数据包可能已丢失。 这就产生了一个问题,是不是必须在接收到所有传感器信息后,才能够计 算出
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