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1、XXXXXXXXXXXXXXXX,网络控制系统系统的建模与设计,答 辩 人：XX指导老师：XXXXXX,2011年5月22日,论文内容提纲,2. 网络控制系统的建模与分析,4. 网络控制系统仿真,1. 绪论,3. 网络控制系统的控制器的设计,5. 总结与展望,传统的控制方框图,加入网络后的系统控制方框图,1绪 论,1.1网络控制系统的定义,通过网络形成的反馈控制系统称为网络控制系统NCS（networked control systems）。网络化控制系统是通信、控制、网络技术融合发展所形成的一个新的领域，自从其诞生以后，传统控制系统中控制部件点对点的连接方式逐渐被取代。,1.2网络控制系统的
2、产生背景,随着科学技术的发展，被控对象和控制系统日益复杂化，控制系统各部件间需要交换的信息越来越度多，传统的点对点结构的控制系统逐渐显示出一定的局限性，主要表现在连线繁杂，维护、,升级、扩展困难等。此外传统的控制系统结构也不适合如模块化、分散化、综合诊断、维护快速简易和低成本等一些新的控制要求。因此，这种点对点连接的控制网络越来越不能满足当今信息化的要求，这就为网络控制系统的产生提供了迫切的需求。另外，随着软硬件产品价格的不断下降，传感器、执行机构和驱动装置等现场设备的智能化为通讯网络在控制系统更深层次的应用提供了必要的物质基础。,1.3网络控制系统的研究意义与目的,网络控制系统具有信息资源共
3、享、单元结构自律性强、高的诊断能力、系统配线简单、易于设计及维护、高效率、高可靠性、操作灵活以及成本低等优点。,在带来诸多优点的同时，它也给系统和控制理论带来了新的机遇和挑战。如网络诱导延时问题、数据丢包问题、各种控制网络通信协议不统一不兼容问题等等。 这些问题的存在会影响系统的性能指标，甚至造成系统的不稳定。这给控制系统的分析和设计带来了很大困难，所以对网络化控制系统的分析和综合方法进行研究是非常必要的，也是很有意义的。,2 网络控制系统的建模及稳定性分析,2.1具有时延的网络控制系统的建模,在NCS中，由于网络通信方式、共享带宽以及网络负载变化不规则等因素的制约，当控制器节点和远地被控对象
4、的传感器节点和执行器节点通过网络交换数据或控制信息时，往往出现数据多路径传输、多包传输、包时序错乱、包丢失、包重传、包碰撞、网络拥塞以及连接中断等现象，因此，节点间的信息传输时延是不可避免的。NCS时延组成如下图所示,NCS时延组成,时延主要由以下部分组成:采样计算时延；传感器到控制器的时延；控制器执行运算时产生的时延；控制器到执行器的时延；执行器计算时延。,整个系统总的时延：,忽略小时延，则系统时延可为：,网络诱导时延为5ms的系统响应图,网络诱导时延为10ms的系统响应图,时延影响系统的动态性能，时延越大，系统的超调量越大，调节时间越长，平稳性越差。时延超出一定界限时，系统会出现不稳定。,
5、在一个网络控制系统中，被控对象是一个线性连续系统，可描述为：(2.1),如果考虑到网络化控制系统中的网络诱导时延的影响，式(2.1)的闭环系统可描述为,(2.2),其中，h是采样周期， 是网络诱导延时表示每个数据包从传感器端到驱动器端所经过的传输时间。,采用参考文献中的方法，在控制输入节点之前引入一个积分环节且考虑网络的时延 ，其中 给定。,记,，则有,由相关文献文献可知增广系统(S2-2)完全能空的充要条件是原系统(S2-1)完全能控。,S2-2,2.2网络控制系统的稳定性分析,对于系统S2-2,考虑连续控制器,则有,如果存在正定矩阵P和Q，使得下列LMI有解,那么系统时闭环渐近稳定的,3
6、网络控制系统控制器的设计,如果存在正定对称矩阵 ，正定矩阵 ，任意适当维数的矩阵，使得下面LMI成立： 则当 时，系统S2-1是渐近稳定的。,(3.9),由上述LMI可求得 进而可得控制器的参数为,考虑如下线性定常系统,采用本文的定理3-1所述控制方案可求得控制器的参数如下：,4 网络控制系统的仿真,4.1网络控制系统的仿真模型,网络控制系统仿真模型,4.2仿真波形图,图.4.4无控制器时网络控制系统的输入与输出波形,(1)、当上述系统不使用控制器时，且系统的给定输入为方波时，利用TrueTime仿真可得系统的输入输出曲线如图4.4所示。,(2)、当采用其它文献所述的控制方案,图.4.5采用控
7、制方案时系统的输入与输出波形,时系统的仿真图如下,(3)、采用本文的定理3-1所述控制方案的仿真曲线如下图所示,图.4.6采用本文所述控制方案时系统的输入输出波形,全文总结与展望,总结：（1）针对具有时延的NCS，分析了网络时延产生的原因及对系统性能的影响，探讨了建模、稳定性分析和控制器设计； （2）利用基于Matlab/Simulink的实时仿真工具TrueTime，建立了NCS仿真模型，并针对具有时延的NCS进行了仿真研究。 展望：（1）本文仅简单探讨了具有时延的NCS，并未考虑同时存在时延和数据包丢失的情况，也未考虑扰动等对系统的影响。 （2）本文所有的研究，所考虑的被控对象均是确定性的线性时不变系统，我们还可以进一步研究具有时延和丢包的不确定网络控制系统的建模、稳定性分析以及控制器的设计。,谢 谢！,请各位老师批评指正！,
