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分布式控制系统的发展趋势是采用串行通讯网络作为控制器、传感器和执行器间信息的交换通道,这种通过控制网络实现闭环控制回路的反馈控制系统称为网络控制系统NCS(NetworkedControlSystem)。网络控制系统具有系统连线少、可靠性高、结构灵活、易于系统扩展和维护以及能够实现信息资源共享等优点。对网络控制系统NCS,由于信息传输延迟的存在,将使系统的性能大打折扣,有时引起系统的不稳定甚至失控,在设计闭环网络系统的控制器时,必须考虑信息的传输延迟,由于传输延迟有其特殊性——随机时变性,使得闭环网络控制系统的分析与综合变得异常复杂,成为一个重要且亟待解决的问题。
本文对控制网络的延时的组成及性质进行分析,在此基础之上,以倒立摆为例对网络闭环非线性系统进行了研究。倒立摆系统是非线性、强耦合、多变量和自然不稳定系统。在控制工程中,它能有效地反映诸如可镇定性、鲁棒性、随动性以及跟踪等许多控制中的关键问题,是检验各种控制理论的理想模型。
本论文主要涉及以下几方面的内容:首先本文对网络闭环非线性系统的时延进行了分析,给出了网络时延的一般处理方法。
其次,本文根据倒立摆系统动能与势能的表达式,并结合系统的拉格朗日方程,建立了倒立摆系统的数学模型,在分析倒立摆系统特性的基础下,首先采用模糊神经网络对二级倒立摆系统进行控制,从SIMLINK的仿真结果中可以看出,当时延增大时该方法无法对倒立摆系统进行稳定控制。
本文为了更好的解决非线性网络闭环控制系统中的时延问题,提出了一种新的控制方法——模糊-GPC串级控制,该方法是在模糊神经网络控制的基础上结合广义预测控制(GPC)处理非线性系统网络时延的方法,建立了网络控制系统的控制模型,并分析了此模型对处理非线性网络控制系统中时延问题的有效性。在MATLAB环境下对网络控制倒立摆系统进行了仿真,通过对比模糊神经网络控制的控制效果,进一步证实了此方法对非线性网络控制系统能够实现稳定控制。
最后,本文结合CAN总线的特性,给出了网络控制倒立摆系统的实验设计方案。
本文以倒立摆系统为对象,探讨了网络闭环非线性系统的控制方法,为解决网络时延问题提供了值得借鉴的方法。