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1、网络控制系统时延补偿及调度算法研究,刘雍 导航、制导与控制 指导教师：杨光红 教授,2018/9/11,2,网络控制系统概述,网络控制系统（NCS）结构优点：实现远程操作、方便安装与维护、增加系统灵活性可靠性等。 新问题：网络诱导时延、网络调度、数据包丢失等。,2018/9/11,3,几种时延补偿方法,基于缓冲区的时延补偿方法把随机网络诱导时延转化为最大时延 人为降低了系统性能,2018/9/11,4,基于最优控制的时延补偿方法定义性能指标函数并使其最小化需要知道网络诱导时延分布的概率密度函数基于马尔科夫链的时延补偿方法 把网络诱导时延建立为马尔科夫链 将系统建立为离散跳变系统 需要确定出马尔
2、科夫链转移概率矩阵,2018/9/11,5,基于不确定参数的短时延补偿方法,网络控制系统简化模型如下所示 假设传感器时间驱动，控制器执行器事件驱动。,2018/9/11,6,被控对象如下采用状态反馈控制 系统可化为其中 、 均包括同一个不确定参数 且满足为不确定参数 的最大F范数,2018/9/11,7,定义Lypunov泛函如下其中 ， 为正定矩阵 微分得,2018/9/11,8,引理1：给定具有适当维数的矩阵 M，N，F(k)，若对于任意k满足 ，则存在 ，使下式成立定理1：如果存在正定矩阵， ，常数 使如下矩阵不等式成立，则系统渐近稳定控制率,2018/9/11,9,算例仿真,对如下被控
3、对象进行仿真 采样周期为0.05s，时延为0,0.05s,2018/9/11,10,基于不确定参数的长时延补偿方法,假设传感器时间驱动，控制器执行器事件驱动，时延大于一个采样周期且变化范围在一个采样周期以内。长时延表示方法其中为 向右取整， 为最差时延情况,2018/9/11,11,被控对象如下采用状态反馈控制器 及如下增广向量 系统可化为 其中 包含不确定参数 且满足为不确定参数 的最大F范数,2018/9/11,12,定义Lapunov泛函如下其中 ， 为对称正定矩阵， 为正定矩阵 引理2：假定存在 ， 及 。那么对于任意矩阵 ， 及 。则以下不等式成立。其中,2018/9/11,13,可
4、以得到其中按照短时延补偿方法的设计思想根据Lyapunov稳定性判据可得定理2,2018/9/11,14,定理2：如果存在标量 ，对称正定矩阵P，Q，矩阵X，Y，Z及K使得如下矩阵不等式成立，则系统渐近稳定，且状态反馈控制率为K。其中,2018/9/11,15,锥补线性化,2018/9/11,16,算例仿真,对如下被控对象进行仿真采样周期为0.05s，时延为0.25s,0.3s,2018/9/11,17,调度算法研究,网络控制系统简化后的结构固定优先级Rate Monotonic（RM）调度动态优先级Earliest Deadline First（EDF）调度,2018/9/11,18,网络调
5、度平台搭建与仿真,2018/9/11,19,被控对象离散PID控制器三个控制环路的采样周期分别为h1=0.006s， h2=0.005s， h3=0.004s干扰节点占用20%网络资源,2018/9/11,20,RM调度响应曲线及调度图 EDF调度响应曲线及调度图,2018/9/11,21,模糊调度,根据系统误差 及误差变化率 的模糊调度,2018/9/11,22,模糊调度规则当 较大时，环路优先级较高 当 较小时，优先级主要由 决定与 异号时表明误差有增大的趋势 反之表明误差有减小的趋势 干扰节点占用40%网络资源 比较EDF调度与模糊调度,2018/9/11,23,EDF调度响应曲线及调度
6、图 模糊调度响应曲线及调度图,2018/9/11,24,基于LabVIEW的NCS半实物仿真研究,仿真工具还需进一步完善 一些学者采用VC+与MATLAB进行半实物仿真 本文采用LabVIEW搭建NCS半实物仿真平台半实物仿真网络拓扑结构,2018/9/11,25,虚拟被控对象的部分程序,2018/9/11,26,虚拟控制器,2018/9/11,27,虚拟被控对象,2018/9/11,28,对如下被控对象进行半实物仿真给定为方波，采样周期为0.05s通信网络为东北大学局域网,2018/9/11,29,环路总时延极点配置法系统响应曲线 不确定参数延补偿法系统响应曲线,2018/9/11,30,结论,1、进行了基于不确定参数时延补偿的研究，与极点配置法及LQG法相比，本方法可以使系统获得更好的动态响应性能。2、搭建网络调度平台并提出了模糊调度算法，在网络资源有限的情况下，与EDF调度算法相比模糊调度算法能够更加合理的分配网络资源。3、通过LabVIEW搭建了NCS半实物仿真平台，并在实际网络中验证了基于不确定参数时延补偿算法的有效性。,2018/9/11,31,展望,1、对带有大于一个采样周期网络诱导时延且存在数据包错乱的NCS进行补偿算法的研究。2、对同时具有实时性数据及非实时性数据的NCS进行调度算法研究。3、进一步研究带有多控制闭环的NCS半实物仿真调度平台。,谢谢！,
