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1、真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。摘 要随着计算机技术的发展，控制系统与网络通信系统的集成成为控制网络技术研究的热点，为此提出了网络控制系统（NCS）。本文介绍了网络控制系统的工业背景和研究现状，重点介绍了网络时延问题的研究进展。分析了网络控制系统的时延产生原因及特性，根据采样时间的不同和驱动方式的不同进行了建模分析。根据不同的模型分析了固定时延、随机时延的补偿控制器设计。本文重点介绍了针对不确定时延采用Fuzzy-PID控制器的设计和仿真研究。在最后，介绍了一种Matlab环境下的实时控制系统仿真工具箱Truetime，给出了具有时延特征的网络控制系统的控制仿真结果。关键词：网
2、络控制系统，网络时延，时延补偿，Fuzzy-PID控制器ABSTRACTWith the development of computer technology, some considerable attentions have been directed to the integrated control systems and network communication control system. So Network Control System（NCS） is proposed. In this thesis ，the paper introduces the engineerin
3、g background and research achievements, and focuses on the progress of network delay. The causes and the characteristic of network-induced delay are analyzed. According to the different of sampling time and drive way, model is built and analyzed. Depending on the different models, the controller wit
4、h the compensation about the fixed time delay and random delay controller are designed. This paper focuses on using Fuzzy - PID controller against uncertainty delay to design and simulation testing. In conclusion，Simulink toolbox，named by Truetime，based on Matlab has been introduced in this paper. A
5、nd the characteristics of the NCS simulation results are given.Liu Jian (Control Theory and Control Engineering)Directed by prof. Ma YongguangKEY WORDS：Networked control systems, Network-induced delay, Delay compensation, Fuzzy-PID controller / 目 录中文摘要英文摘要第一章 绪 论11.1 网络控制系统的发展与基本概念11.1.1 计算机控制系统的发展1
6、1.1.2 网络控制系统的描述31.2 网络控制系统时延研究现状41.2.1 NCS的数学模型的建立41.2.2 NCS控制器设计方法51.3 本文研究的出发点与主要工作71.3.1 目的和意义71.3.2 研究内容8第二章具有网络诱导时延的NCS分析92.1 引言92.2 网络控制系统的采样技术102.2.1 同步采样和非同步采样102.2.2 时间驱动方式和事件驱动方式112.2.3 多速率采样122.3 控制网络与网络控制系统的时延分析122.3.1 控制网络132.3.2 网络控制系统的时延分析162.4 小结18第三章 具有网络诱导时延的NCS建模与控制193.1 引言193.2 具
7、有网络诱导时延的NCS的数学建模193.3 具有固定时延的NCS的控制器设计213.4 具有随机时延的NCS的控制器设计223.4.1 基于时延统计规律的随机控制器设计233.4.2 基于时变、有界时延的随机时延的补偿243.5小结26第四章Fuzzy-PID网络控制器设计274.1引言274.2模糊控制理论基础274.2.1模糊控制系统的组成274.2.2模糊控制器原理284.2.3模糊控制器的输入输出变量304.2.4模糊控制器设计的基本方法314.3带PID的网络化控制系统314.4模糊补偿PID控制器设计324.5 fuzzy-PID复合控制器设计334.6小结34第五章 基于matl
8、ab/simulink的NCS仿真环境研究355.1引言355.2 Truetime 工具箱结构与功能355.2.1计算机模块365.2.2网络模块365.3初始化375.4网络控制系统仿真研究385.5仿真说明395.5.1 PID控制器设计仿真405.5.2 Fuzzy-PID控制系统设计仿真425.6小结44第六章 总结与展望456.1 总结456.2 研究展望45参考文献46致 谢49在学期间发表的学术论文和参加科研情况50第一章 绪 论1.1 网络控制系统的发展与基本概念随着控制、计算机、通信网络等技术的发展，信息交换的领域正在迅速覆盖从工厂的现场设备层到控制、管理的各个层次，覆盖从
9、工段、车间、工厂、企业乃至世界各地的市场，因此迫切要求工业自动化水平也提高到了一个崭新的高度。从历史上看，传统控制系统的通讯方式是点对点的，包括早期的DCS，目前这种方式已经越来越不能适应某些新的需求，比如模块化、集散分布、综合诊断、快捷方便的维护及低成本化等。从整体上看，计算机控制系统己呈现出向网络化、集成化、节点智能化、分布化的发展趋势。现场总线控制系统和工业以太网，顺应了这一趋势，是完全网络化、分布化的控制系统。1.1.1 计算机控制系统的发展计算机控制系统发展至今先后主要经历了以下几个阶段：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
10、统的广泛研究。传统的集中式控制系统一般采用一个中央控制单元（CPU）完成控制计算、信息处理等所有工作，控制器和对象之间的连接采用的是点对点的连接方式，其典型结构如图1-1。图1-1 集中式控制系统示意图随着现场采集信息量的增加，集中式控制对中央控制单元的硬件性能要求越来越高，软件编程也越来越复杂。因此，产生了集散式控制系统（Distributed Control System，DCS）来代替集中式控制系统，如图1-2所示。图1-2 DCS示意图DCS，又称分布或分散控制系统，它以微处理机为核心，实现地理上和功能上的控制，同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集中起来，进行集中的监视和操作，并实
11、现复杂的控制和优化。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。对各个现场设备的任务由现场级的控制单元（PLC，单片机等）完成，总体的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完成，从而实现了控制功能和管理信息的分离。虽然提高了系统的可靠性和灵活性，但集散控制系统和集中式控制系统都有一些共同的缺点，就是随着现场设备的增加，系统复杂，成本大大提高，以及系统的抗干扰性、灵活性不够、扩展不方便等1。为了从根本上解决这些问题，新型的分布式控制系统现场总线控制系统（Fieldbus Control Systems，FCS）应运而生，如图1-3所示。图1-3 FCS示意图目前现场总
12、线的主要种类有：基金会现场总线FF；ProfiBus；WorldFIP；ControlNet/DeviveNet；CAN。与传统的DCS相比，FCS具有如下一些技术特点2：（1）FCS是现场通信网络：把通信线路一直延伸到生产现场中的生产设备，构成用于过程自动化和制造自动化的现场设备或仪表互联的现场通信网络。实现了全数字化传输，极大地提高了信号转换的精度和可靠性，有效地避免了模拟信号在传输过程中存在的信号衰减、精度下降和信号干扰等问题。（2）FCS能进行现场设备互连：传感器、变送器、执行器的等设备在现场总线系统中已成为由微处理机为控制核心的智能设备，可以通过一对双绞线、同轴电缆、光纤、或电源线互
13、连，具有较强的抗干扰能力。（3）FCS具有良好的互操作性：实现“即插即用”，并且用户可以对不同品牌的现场设备进行统一组态，构成所需要的控制回路。（4）FCS具有分散的功能块，便于用户组态：将功能块分散到多台现场仪表中并进行统一组态，有助于用户根据需要灵活的选用各功能块，构成需要的控制回路，实现彻底的分散控制。（5）FCS具有开放式互联网络，可以与同类型的网络互联：既可以与同层网络互联又可以与不同层网络互联，既可以实现企业内部的网络互联又可以与企业外部的网络互联。（6）FCS对现场环境的适应性强。由上可见，控制系统随着计算机的应用发展，现场设备的智能化、数字化发展，也在不断的提高自身对现场的适应
14、力和可靠性，使得控制系统更加网络化、集成化、分布化。1.1.2 网络控制系统的描述随着控制系统规模的日益扩大，越来越多的控制系统采用分布式控制的方式。分布式控制的形式多种多样，很多复杂的控制系统例如制造业设备、运输工具、机器人等采用串行通讯网络作为监控计算机、控制器、现场传感器及执行器间信息和控制信号的交换通道，这种通过串行通信网络实现闭环控制回路的控制系统被称为网络控制系统(Networked Control Systems，NCS)，有的文献用综合通讯和控制系统 (Integrated Communication and ControlSystems，ICCS)或者基于网络的控制系统 (N
15、etwork-based Control Systems)来称呼具有这种结构的控制系统3。“Network Control Systems”最早于1998年出现在马里兰大学G.C.Walsh的论著中，但未给出明确的定义。只是用图示说明了网络控制系统的结构，指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。而同济大学的于之训等用了“网络控制系统”；重庆大学的张结斌等用了“分布式控制网络系统”这样的术语。清华大学的顾洪军给出了明确的定义4：网络控制系统（NCS，Network Control Systems），又称网络化的控制系统，即在网络环境下实现的控制系统。是指在各区域内一些现场检测、控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。其本质是信息（参考输入、对象输出和控制输入等）在控制系统各部件间（传感器、控制器和执行器等）通过网络进行交换。NCS典型的系统结构图如图1-4所示。图1-4 NCS示意图NCS中的网络是一个广义的范畴，包含了FCS、工业以太网、无线通信网络、甚至Internet，这也是与网络技术的发展相适应的
