網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延補(bǔ)償與調(diào)度方法的研究.pdf

1、隨著計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)和控制理論的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，由于閉環(huán)控制中引入了網(wǎng)絡(luò)，不可避免地在控制系統(tǒng)中引起網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、數(shù)據(jù)包丟失等問題，使得傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究方法難以直接應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，迫切需要研究如何將現(xiàn)有的控制方法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，以及探索研究新的基于網(wǎng)絡(luò)的控制理論與方法。同時，受網(wǎng)絡(luò)帶寬資源有限的限制，如何采用合適的調(diào)度方法合理分配網(wǎng)絡(luò)資源對提高網(wǎng)絡(luò)利用率以及控制系統(tǒng)的性能也至關(guān)重要

2、。因此，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能不僅取決于控制策略的優(yōu)劣，同時還依賴于網(wǎng)絡(luò)中信息調(diào)度策略的優(yōu)劣，兩者是相關(guān)聯(lián)的、缺一不可的。為此，本文主要進(jìn)行了如下幾方面的研究:
　　對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延的組成與特性進(jìn)行了分析，通過仿真討論了時延對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能的影響，開發(fā)了一套時延測試軟件，對大量的實測數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，同時對時延樣本通過拉伊達(dá)準(zhǔn)則與一維插值進(jìn)行預(yù)處理，使得處理后的時延數(shù)據(jù)具有較好的可靠性。
　　針對網(wǎng)絡(luò)時延的不確定性，提出了針

3、對小樣本數(shù)據(jù)的基于EMD與LSSVM的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時延預(yù)測方法與針對大樣本數(shù)據(jù)的基于Lyapunov-Elman的時延預(yù)測方法，仿真實驗表明兩種時延預(yù)測方法具有較高的預(yù)測精度與預(yù)測效果，為時延補(bǔ)償打下了良好的基礎(chǔ)。
　　廣義預(yù)測控制算法具有自適應(yīng)性、魯棒性強(qiáng)的特點，并且有多步預(yù)測的功能，本文將針對傳統(tǒng)廣義預(yù)測控制需要求解丟番圖方程和矩陣逆運(yùn)算而降低了算法的運(yùn)算速度，給出一種結(jié)合時延預(yù)測的快速隱式廣義預(yù)測控制時延補(bǔ)償方法，該方法避免

4、了丟番圖方程的求解和矩陣逆運(yùn)算，提高了算法的運(yùn)算速度，仿真表明該方法對時延具有很好的補(bǔ)償效果;同時針對非線性被控對象，提出一種利用改進(jìn)自由搜索算法(improved freesearch，IFS)優(yōu)化的非線性系統(tǒng)最小二乘支持向量機(jī)預(yù)測控制時延補(bǔ)償方法，該方法使用最小二乘支持向量機(jī)(LSSVM)建立非線性系統(tǒng)模型并預(yù)測系統(tǒng)的輸出值，通過輸出反饋和偏差校正減少預(yù)測誤差，由IFS優(yōu)化算法滾動優(yōu)化獲得非線性系統(tǒng)的控制量。該方法對于非線性系統(tǒng)可以

5、設(shè)計出有效的預(yù)測控制器。通過對單變量多變量非線性系統(tǒng)進(jìn)行仿真，證明了該預(yù)測控制方法是有效的，且具有良好的自適應(yīng)能力和魯棒性。同時將該方法應(yīng)用于具有隨機(jī)時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，取得了良好的補(bǔ)償效果。
　　針對帶寬受限的多回路網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提出一種模糊反饋優(yōu)先級調(diào)度方法。首先利用二次型函數(shù)映射的動態(tài)權(quán)重調(diào)整策略對控制回路賦予不同的權(quán)重系數(shù)，繼而考慮控制系統(tǒng)輸出的誤差和誤差變化率，提出了改進(jìn)的基于模糊反饋的優(yōu)先級調(diào)度配置策略，設(shè)計了模糊反饋

6、調(diào)度器，對各控制回路的優(yōu)先級進(jìn)行動態(tài)的調(diào)整。最后通過True Time工具箱建立了動態(tài)權(quán)重調(diào)整的多回路網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模糊反饋優(yōu)先級調(diào)度仿真模型，并將該方法同EDF與權(quán)重固定的模糊反饋優(yōu)先級調(diào)度方法進(jìn)行對比。仿真結(jié)果表明在相同的網(wǎng)絡(luò)帶寬占用的情況下，該方法具有更小的網(wǎng)絡(luò)時延，且具有較好的性能。
　　提出了一種改進(jìn)的變采樣周期策略。根據(jù)控制回路的輸出誤差，動態(tài)調(diào)整每個回路的權(quán)重值，同時利用最小二乘支持向量機(jī)算法預(yù)測數(shù)據(jù)傳輸時間，不斷地

7、改變系統(tǒng)的采樣周期，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能。仿真實驗結(jié)果表明，該方法可以使網(wǎng)絡(luò)利用率快速收斂到設(shè)定值。相對固定權(quán)重的變采樣周期算法，該方法提高了控制回路的輸出響應(yīng)性能，降低控制回路的IAE。同時結(jié)合上述模糊反饋優(yōu)先級配置策略，實現(xiàn)了基于變采樣周期和模糊反饋優(yōu)先級的調(diào)度方法，同時通過仿真驗證了調(diào)度方法的有效性。
　　從基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的整體延遲分析入手，研究了工業(yè)以太網(wǎng)時延，并確定交換式以太網(wǎng)作為主要研究對象。針對采用I

8、EEE802.1p優(yōu)先權(quán)調(diào)度的交換機(jī)內(nèi)部排隊延遲，提出了調(diào)度改進(jìn)構(gòu)想并給出了一種實現(xiàn)方案，構(gòu)建了一個典型的樹形拓?fù)浣粨Q式以太網(wǎng)模型，計算了調(diào)度方法改進(jìn)前后周期性實時數(shù)據(jù)幀在各個傳輸環(huán)節(jié)的最大延遲，同時，推導(dǎo)了調(diào)度改進(jìn)方案應(yīng)滿足的基本條件。最后，采用了網(wǎng)絡(luò)演算技術(shù)和OPNET仿真兩種方法，驗證了IEEE802.1p優(yōu)先權(quán)調(diào)度改進(jìn)方案對減小交換式以太網(wǎng)延遲上界的可行性和有效性。通過網(wǎng)絡(luò)演算和OPNET仿真的結(jié)果表明了對IEEE802.1p優(yōu)