38900字硕士毕业论文延迟多丢包网络控制系统的量化控制和滤波

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：38900字

论点：控制,量化,控制系统

论文概述：

本文利用满足Bernoulli随机分布的白噪声序列来描述系统多包丢失和通信时滞现象，利用对数量化器来量化测量输出信号或控制输入信号，同时在部分章节研究了具有系统时滞及分布式时滞的系统

论文正文：

第一章引言

1.1研究背景和意义
随着通信技术和控制技术的发展，传统的控制方法不容易扩展、维护，成本高，可靠性差，不能满足人们对远程控制和遥控的要求。因此，传统的点对点控制模式已经不能满足工业发展的要求。在远程控制和复杂控制系统的客观要求下，一种新的控制系统——网络控制系统迅速成为控制领域的热点之一。1999年，术语“网络控制系统”首次出现在马里兰大学的格雷戈里·沃尔什和其他人[的文章中。然而，文中没有给出确切的定义，仅用图形说明了网络控制系统的结构特点，指出在系统中，控制器和传感器通过串行通信线路形成一个闭环。2001年，清华大学的顾洪钧在《[2》一书中给出了非传染性疾病的明确定义。目前，国内学者主要遵循书中给出的定义。书中指出，网络控制系统(NCSs)是指通过网络将传感器、控制器和执行器作为网络节点连接起来，形成闭环反馈控制系统，共同控制系统。与传统的点对点控制系统相比，网络控制系统可以共享资源，满足远程操作和控制的要求。将网络引入控制系统可以减少系统布线，易于安装和维护，易于故障诊断，易于扩展，大大降低系统成本，具有较高的可靠性。然而，由于网络通信带宽、承载能力和服务能力的限制，网络接入网络不可避免地带来了许多问题。在闭环反馈控制系统中引入通信网络，使得传统控制理论中的许多理想假设，如同步控制和传感器、执行器等不再适用于网络控制系统中控制策略的设计。同时，由于网络环境本身的限制，还应考虑网络带宽等因素对系统性能的影响。具体而言，应注意以下问题的影响。首先，由于控制系统中的许多设备必须发送信息，并且网络带宽有限，因此由于对网络使用权的竞争，信号传输不可避免地会落后。其次，由于网络传输的不可靠性和不稳定性，数据包在传输过程中不可避免地会丢失，并且数据包丢失通常是随机的。虽然许多系统都有重传机制，但这将极大地影响通信速率。丢包也是导致网络性能不稳定的一个重要因素。第三，由于网络带宽的限制，为了节省网络资源，达到更好的控制效果，系统的控制信号和测量信号需要在传输到下一个节点之前进行量化，使得网络控制系统的研究更加复杂。
这些不利因素的存在将降低国家信息系统的鲁棒性和容错能力，更严重的是，将导致系统不稳定。因此，在分析和设计国家信息通报时，必须综合考虑这些因素，以满足[的实际需要34]。带宽限制是影响网络控制系统分析和设计的一个重要因素。分析网络控制系统网络时延、数据包丢失等不利因素以及其他降低网络控制系统性能的因素至关重要。为了减少对系统性能的影响，信号在传输前必须量化。因此，量化器的引入是必不可少的。量化器可以降低通信信道中网络资源的占用率，并能有效节省网络带宽。因此，量化器的引入起着重要的作用。由于网络控制系统具有传统控制系统无法比拟的优势，使得网络控制系统的应用范围更加广泛。目前，网络控制主要应用于以下几个方面:导航空航天、机器人控制、卫星控制、遥控、交通控制、经济管理、人口控制等。随着通信技术，特别是物联网技术的发展，网络通信系统将在未来应用于人们生活的各个方面。因此，网络社区服务的研究具有重要的使用价值和社会价值。

1.2网络控制系统的发展
在20世纪80年代末和90年代，计算机网络广泛进入自动控制领域。一般来说，这是一个庞大而复杂的系统。除了它的控制功能之外，它通常还具有信息处理、管理、决策和其他功能，因此它被统称为网络化系统。第一代以所谓的分布式控制系统的形式将网络环境与控制功能相结合。集散控制系统的总体结构概况如图1.1所示。最早的集散控制系统是霍尼韦尔公司于1975年开发的TDC-2000。在集散控制系统中，具有不同功能的计算机(如本地工作站、操作员站和一些其他辅助工作站)通过通信网络相互连接，以共享系统的工作。其中，本地工作站主要用于过程控制，操作员站主要用于操作员监控过程控制，其他辅助工作站主要用于数据记录、系统优化等。20世纪90年代，随着微处理器技术和通信网络技术的飞速发展，现场总线控制系统应运而生并得到发展。现场总线控制系统采用开放式现场总线作为通信网络，将现场控制器作为独立的智能节点、现场智能仪表等设备进行互联和通信。它突破了分布式控制系统中使用专用网络的缺陷，将专用封闭协议转变为标准开放协议。与此同时，它使系统能够拥有完整的数字计算和数字通信能力。该结构采用全分布式方案，控制功能完全分散到现场，提高了系统的可靠性和灵活性。与集散控制系统相比，集散控制系统有许多优点。它使现场设备之间的通信能够采用点对点、点对多点或广播方法。使用统一配置和任务下载，可以将简单的控制任务(如PID、数字滤波和补偿处理)动态下载到现场设备。可以减少输电线路和硬件设备的数量，节约系统安装和维护成本；而且还增强了不同制造商设备的互操作性和互换性。现场总线控制系统已经是一个真正的分布式网络控制系统。现场总线控制系统的主要缺点是，尽管各种现场总线都是开放式协议，遵循同一协议的不同制造商的产品可以相互兼容，但各种协议并不统一，具有不同总线协议的系统也不容易互连。此外，现场总线通信协议与互联网上广泛使用的用于分析和设计上层管理信息系统或其他网络控制系统的交换系统处理方法的TCP/IP协议不兼容，还存在协议转换的问题。这些都增加了实现管控信息集成网络的难度。

第1章时变延迟多丢包的网络控制系统量化控制

2.1简介
网络通信系统在信号处理和传播过程中，数据包通过繁忙的信道传输。由于通信信道比特率的限制，信号传输时延经常发生，并且由于网络外部环境的不确定性，这种时延经常是时变的。因此，国内外学者对如何建立更精确的数学模型进行了大量的研究，以获得更实用的时滞相关稳定性判据，使被控系统稳定。在数据包传输过程中，由于网络通信能力的限制，不可避免地会出现错误或丢失。虽然许多网络通信系统采用自动重传机制，但丢包是不可避免的，重传会严重影响数据传输速率。如果数据包比下一个数据包晚到达下一个通信节点，它自然会采用最新的数据包进行传输，丢弃旧的数据包并导致数据包丢失。为了节省有限的网络带宽和资源，量化信号是不可避免的。引入量化器时会出现量化误差。因此，用量化器分析网络控制系统的稳定性和设计控制策略也具有重要意义。在以上分析的基础上，本章将研究时变延迟和多丢包的NCSs量化/4控制问题，并用满足伯努利随机分布的白噪声序列描述传感器-控制器和控制器-执行器丢包。对数量化器用于量化测量输出信号和控制输入信号。量化误差被描述为扇区有界的不确定性。利用李亚普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)方法，在均方意义上得到闭环网络控制系统指数稳定性满足一定性能指标的充分条件，并给出了基于观测器的时滞相关控制器设计方法。

第三章控制系统的硬件设计……33-45
3.1控制系统要求和方案选择……33-35
3.1.1控制系统主要技术要求……33-34
3.1.2控制器的方案选择……34 [/BR/] 3.1.3联合驾驶员选择……34-35
3.2 LPC 1700系列皮质-M3处理器……35[/溴/] 3.3交流伺服电机……35-38 [/BR/] 3.4控制系统的硬件方案是……38-44 [/BR/] 3.4.1 DC电压源电路设计……39-40
3.4.2皮层-M3最小系统模块电路……40-41 [/BR/] 3.4.3工业机器人教学系统电路设计……41-42 [/BR/] 3.4.4伺服电机驱动系统……42-43
3.4.5 CAN总线接口……43-44
3.5本章概述……44-45
第4章控制系统软件设计……45-50
4.1教学模块软件设计……45-47
4.2控制模块软件设计……47-49
4.3 CAN总线收发模块软件设计……49-50
第5章机器人手臂……基于模糊补偿的50-57
5.1概述……50-51[/溴/] 5.1.1模糊控制……50-51
5.1.2自适应模糊控制……51
5.2自适应模糊控制在机械手模糊补偿中的应用……51-55
5.3……55-57基于摩擦、外部干扰和负载变化

结论

随着计算机网络通信和智能传感技术的快速发展，基于网络的分布式控制已经成为国内外计算机控制领域的研究热点。网络控制系统通过数据网络甚至无线网络实现复杂环境下的大规模系统控制和远程控制，具有传统控制系统无法比拟的优势。然而，通信网络的引入使得网络控制系统的分析和设计变得极其复杂。在网络通信系统中，通信节点共享网络资源，受网络通信能力的限制，不可避免地会导致网络延迟和数据包丢失。同时，为了节省网络资源和网络带宽，通信信号需要量化。在实际工业生产中，在外部复杂环境的影响下，控制系统往往具有非线性和随机性等复杂特性。同时，传输节点在传输过程中经常出现故障。结合网络控制系统本身的特点，网络控制系统的分析与综合受到了国内外学者的极大关注，并取得了很大的研究成果。
本文研究了通信延迟和丢包等复杂条件下的网络控制系统的定量控制问题。满足伯努利随机分布的白噪声序列用于描述系统的通信延迟或数据包丢失，对数量化器用于量化通信信号。主要研究了系统稳定并满足一定性能指标的充分条件和控制策略的设计方法。本文主要从以下几个方面进行研究:研究了时变时延多丢包网络控制系统的定量控制问题。同时，考虑了传感器和控制器之间的测量通道以及控制器和致动器之间的控制通道中多个数据包的丢失，并由满足伯努利分布的随机变量表示。控制输入信号和测量输出信号分别在传感器和控制器的两侧进行对数量化，量化误差被描述为扇区有界不确定性。利用李亚普诺夫理论和线性矩阵不等式(LMI)方法，在均方意义上得到闭环网络控制系统指数稳定性满足某些兄弟性能指标的充分条件，并给出了一种基于观测器的时滞相关控制器设计方法。研究了受信号量化、扇区有界非线性、Ito随机扰动和随机时延影响的网络控制系统基于观测器的控制器设计问题。满足伯努利随机分布的白噪声序列用于描述传感器-控制器和控制器-执行器的时滞。对数量化器用于分别控制传感器和控制器两侧待量化的输入和测量输出信号。利用李雅普诺夫稳定性理论和线性矩阵不等式方法，给出了系统在均方意义下指数稳定并满足性能指标的充分条件。利用锥补线性化算法给出了控制器的设计方法。研究了一类受信号量化、离散分布时滞和测量损耗影响的离散网络控制系统的滤波器设计问题。Heij用满足伯努利分布的二进制随机变量描述测量损耗，并用对数量化器量化测量输出信号。对于混合时延和不可靠通信信道的网络控制系统，给出了滤波器存在的充分条件，使得滤波误差系统在均方意义下随机稳定，并具有给定的性能指标。

参考
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