网络控制系统长时延和丢包的主动补偿控制方法研究

摘要

通过网络形成反馈的控制系统称为网络控制系统(NCS)。将分布于各地的控制节点用网络连接起来实现远程控制系统成为了控制领域的趋势和研究热点。相对于传统点对点的连接方式，网络控制系统有很多优点，比如成本低、重量轻、易于安装和维护，具有较高可靠性和灵活性。但数据在网络传输过程中会遇到一些不可避免的问题，比如网络时延、数据包错序和丢失、量化以及通讯受限等等。特别是其中的网络时延和数据包丢失现象，它降低了系统性能，甚至导致系统变得不稳定。网络的存在使得面向本地控制的传统控制理论不能直接应用。因此，研究适用于网络环境下的先进控制策略并分析系统稳定性，不仅具有重要的理论意义，也有广泛的应用前景。本文针对网络特性研究主动补偿控制方法，在保证系统稳定的情况下降低网络长时延和数据丢包带来的不利影响。论文的主要内容可以概括如下：
　　①研究一种基于模型预测控制的网络时延主动补偿控制方法。控制器的状态反馈增益不为固定值，而是根据不同的反馈通道时延动态调整。针对数据丢包现象，不采用维持上一个信号的ZOH方法，而是设立延迟补偿器，对数据丢包进行动态补偿。对于网络同时存在长时延和丢包的情况，设计了控制信号的选取规则。对控制策略的可行性问题进行了分析，研究了闭环系统的建模问题并选取Lyapunov函数分析系统的稳定性。
　　②结合状态反馈预测控制方法与事件触发机制，提出一种预测触发的网络控制方法，在保证系统稳定的前提下，有效降低网络数据通信量。在控制端设置与传感器端相同的触发机制，控制器不是在每个采样周期都有输出，因此系统状态与触发机制之间存在较强耦合性。控制器预测将来的系统触发状态，以此计算多步预测控制量。控制器增益不是固定值，而是根据不同的触发间隔时间取不同的值。根据控制特点，设计了一种新形式的数据包结构，将多步控制量与其相应的作用时间一同封装在数据包中，能更好地补偿时延和丢包的影响。将闭环系统建模为切换系统，并选取了切换Lyapunov函数分析闭环系统稳定性。
　　③被控对象由AR模型描述的情形下，提出一种具有控制补偿环节的网络时延补偿控制方法。反馈通道时延通过GPC算法进行补偿，为减小未知的前向通道时延影响，在控制端设计补偿环节，计算历史时刻实际作用的控制量与控制器输出的控制量之间的偏差，根据该值采用相应算法对控制量进行修正。对闭环系统进行建模并分析其稳定性。此方法计算简单，实时性强，便于工程实现。
　　结合GPC算法优点和PID反馈结构特点，提出一种自整定PID的网络控制方法。建立控制增量与未来输出误差的关系表达式，构造出具有PID结构特点的GPC性能指标函数，在有限时域内滚动优化计算多步预测控制量，PID参数根据输出误差进行整定。对闭环系统进行建模并分析其稳定性。该方法具有较强的鲁棒性。
　　④当系统模型不确定或难以建模情况下，提出一种基于闭环子空间方法的网络时延补偿控制方法。目前应用子空间方法的网络控制系统大多是在开环条件下对系统进行辨识并设计控制器，这种方法的有偏性会导致控制器不能满足系统性能要求。为克服此缺点，构造闭环状态下的扩展子空间，对系统矩阵参数进行无偏估计，并分析其一致性。为主动补偿网络时延的影响，设计闭环子空间预测控制算法。为实现控制算法的在线递推计算，提出一种简单的参数矩阵更新方法代替复杂的矩阵LQ分解，导出最优多步预测控制输入序列主动补偿时延影响。

目录

主要符号说明

1 绪 论

1.1 论文的研究背景及意义

1.2 网络控制系统概述

1.3 网络控制系统研究分类

1.4 面向控制理论的网络控制系统研究现状

1.5 本文的研究工作

2 基于模型预测控制的网络主动补偿控制

2.1 引言

2.2 问题描述

2.3 网络长时延的主动补偿策略

2.4 同时具有长时延和丢包的主动补偿控制

2.5 算例仿真

2.6 本章小结

3 基于事件触发机制的网络主动补偿控制

3.1 引言

3.2 问题描述

3.3 事件触发机制下的网络主动补偿控制

3.4 预测触发的网络主动补偿控制

3.5 算例仿真

3.6 本章小结

4 基于GPC算法的网络主动补偿控制

4.1 引言

4.2 具有控制补偿环节的网络主动补偿控制

4.3 自整定PID网络主动补偿控制

4.4 算例仿真

4.5 本章小结

5 基于子空间方法的网络主动补偿控制

5.1 引言

5.2 问题描述

5.3 基于输入输出数据的子空间方法

5.4 闭环子空间方法的实现

5.5 一致性分析

5.6 控制器设计

5.7 算例仿真

5.8 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 论文主要创新点

6.3 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读博士学位期间参加的科研情况：