时延网络控制系统的控制器设计与仿真controllerdesignandsimulationdelaynetworked

摘 要摘 要随着控制技术和通信技术的不断发展,控制系统与网络通信系统的结合成为控制网络技术研究的热点,因此,适应时代的网络控制系统(NCS)出现了。本文介绍了网络控制系统的发展历程和国内外研究现状,对网络时延问题以及其发展进程做了着重介绍,并且对网络控制系统的采样技术和驱动方式作了简要的介绍。针对不确定时延的网络控制系统,提出一种建模方法。根据Lyapunov方法得验证了闭环系统渐近稳定的充分条件,根据线性矩阵不等式LMI的可行解得出了状态反馈控制率的参数化设计方法。在最后,在MATLAB中的LMI工具箱中验证稳定性并在Simulink中得出仿真结构证明该方法是有效的。关键词网络控制系统,可控性,稳定性,不确定时延
目 录
第一章 绪 论 1
1.1?网络控制系统的发展与基本概念 1
1.1.1?计算机控制系统的发展 1
1.1.2?网络控制系统的描述 3
1.1.3?网络控制系统时延研究现状 5
1.2 本文研究的出发点与主要工作 5
1.2.1 目的和意义 5
1.2.2 国内外研究现状及存在的问题 6
1.2.3 主要研究内容 7
1.3 具有网络时延的NCS分析 7
1.3.1 引言 7
1.3.2 控制网络的时延分析 8
1.3.3 控制网络 9
1.3.4 以太网(Ethernet) 10
1.3.5 控制网(controlnet) 10
1.3.6?网络控制系统的时延分析 11
1.4 网络控制系统的采样技术 13
1.4.1 同步采样和非同步采样 13
1.4.2 驱动方式 14
第二章 网络控制系统的建模 16
2.1 建模 16
第三章 稳定性分析及控制器设计 19
3.1 稳定性分析 19
3.2 控制器设计 20
第四章 基于matlab/simulink的仿真环境研究 24
4.1引言 24
4.2 仿真与实例 24 style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });

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4.2.1 仿真 24
4.2.2 实例 26
第五章 总结与展望 29
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪 论
本章节主要介绍了网络控制系统的发展历程和国内外研究现状,对于控制系统的采样方式作了简要描述,同时着重介绍了网络时延问题以及其发展进程。
1.1?网络控制系统的发展与基本概念
随着控制,计算机,通信网络和信息交换领域的其他技术的发展,使网络控制系统是从工厂车间的控制迅速覆盖现场设备,工业自动化的不断发展对网络控制系统的迫切要求已经提高到了一个新的高度。从历史上看,通信控制系统的传统方式是点对点连接,包括发展初的DCS,目前方法已越来越不能满足一些新的要求,如模块化,分布式分布,综合诊断,快捷,维护方便,成本降低等等。总体而言,计算机控制系统已提交到网络,集成化,智能化节点,分布式发展趋势。现场总线和工业以太网控制系统,顺应这一潮流,它是完全网络化,分布式控制系统。
1.1.1?计算机控制系统的发展
计算机控制系统根据发展阶段共分为以下几种[1]:传统的集中式控制系统、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS)、以及基于以太网的控制系统的广泛研究。
传统的集中控制系统通常只使用一个单一的中央控制单元(CPU)来控制计算信息处理等所有工作,计算机和被控对象之间并不是传统意义上面的点到面链接而是采用点对点的连接方式连接的,结构如下图11。
/ 图11 集中式控制系统示意图
由于科技的不断发展,客户对信息量的需求越来越大,所以,对与之相关的软硬件要求也越来越高。因此,适应需求的集散式控制系统(Distributed?Control?System,DCS)产生了,以此来代替集中式控制系统,如下图12所示。
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图12 DCS示意图
DCS,是以微处理器为核心的分散型控制系统,在功能控制以及高频率传播信号给每个分散的信息分在一起,统一管理和控制,而且能时间较难的控制和优化。DCS的设计原则是分散控制,集中操作,分级管理,分而自治和综合协调。主要是由现场级的控制器完成对各个设备的任务,通过CPU来完成对总体的控制,操作和监视任务,进而才完成了对操作功能与管理层面的归类。尽管提高了系统的安全性能和多变复杂性,但一些共同的劣势还是在2个系统上面体现了出来,就是随着计算机的不断增加,系统变得越来越复杂,以及系统的稳定性、缺乏弹性、延伸不易等。为了让这些问题能得到彻底解决,一种全新的控制系统——现场总线控制系统(Fieldbus?Control?Systems,FCS)应运而生,如下图13所示。
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图13 FCS示意图
与其他相似的控制系统相比,FCS具有更加出色的功能,技术特点有一下几点:
(1)FCS是现场通信网络:通信线路一直延伸到生产设备的生产基地,构成了工艺和制造自动化现场设备或现场仪表互连通信网络。实现了全数字传输,从而最大限度地增加的信号转换的准确性和可靠性,有效地避免了信号衰减,信号干扰和现有的过程中的精密模拟信号传输问题损耗。?
(2)FCS有很好的相互操作能力:随时随地,只要需要即可使用,用户可以根据自己的需求对不同品牌的设备进行统一配置,组成满足用户需求的控制系统。
(3)FCS的功能较为分散,用户可以自行配置:分发到多个现场设备进行统一配置,帮助用户选择较为灵活的功能块,包括用户需要控制回路实现完全分散控制。
(4)FCS与网络互通,可以与网络进行连接:无论是与同层网络互联,还是与不同层网络互联,都与外部业务网络企业的网络互联。

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