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基于改进内模控制的无线网络控制系统研究

作　者: 唐银清
导　师: 杜锋
学　校: 海南大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 无线网络控制系统不稳定时滞对象内模控制稳定性
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

无线网络控制系统(Wireless netwrked control systems,WiNCS)是在闭环反馈控制系统中添加无线网络作为传输信号的介质,由于无线网络的存在,WiNCS产生诱导时延,时延影响系统稳定性,甚至使系统失去控制。内模控制能有效克服时滞系统中时延的影响,其对模型精度要求低,即使在模型失配时仍具有较大优势,参数在线调节方便、鲁棒性强。常规内模控制只能适用于开环稳定被控对象,对开环不稳定被控对象的控制失效；右半平面含有零点的非最小相位系统,输出产生负调,影响系统的控制性能。本文基于TRUETME1.5仿真平台,研究了WiNCS中不稳定时滞被控对象的改进内模控制策略,使输出能在大时延情况下仍然保持稳定,并能在受到干扰时实现快速跟踪,增强系统鲁棒性。首先,在WiNCS中针对开环稳定对象,设计并仿真了一自由度内模WiNCS和二自由度内模WiNCS,结果验证了内模控制的优点是不需要估计、预测网络时延,也不需要考虑节点间的时钟信号同步问题,一自由度内模WiNCS和二自由度内模WiNCS均具有较好的动态输出性能,其中二自由度内模控制将系统的跟踪性能与鲁棒性能分开调节,进一步增强了系统的抗干扰能力。其次,在WiNCS中针对开环不稳定时滞对象,提出改进的内模WiNCS,首先在被控对象端添加稳定器,整定不稳定被控对象,再按照广义稳定被控对象进行内模控制的设计。当模型匹配时分别对右半平面存在极点、原点存在极点、二阶不稳定对象三种典型情况仿真,仿真结果表明,该改进内模控制方案能有效使用于WiNCS中不稳定时滞被控对象的控制,能保证系统稳定；进一步在模型失配并且改变网络环境情况下做了仿真研究,对比研究表明在具有大时延、数据丢包等恶劣条件下,改进的内模控制策略能满足系统稳定性与鲁棒性的要求。最后,在WiNCS中针对右半平面存在零点的非最小相位系统,提出改进的内模WiNCS,在系统左半平面添加镜像极点,并给出了详细的控制器设计方法。然后对改进方案进行了仿真研究,仿真表明,改进内模控制策略能有效抑制系统负调；最后阐述并仿真验证了系统输出性能与滤波器参数选择有关,通过调节滤波器时间常数能获得需要的系统输出特性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 研究目的与意义  9
  1.2 研究现状  9-13
    1.2.1 NCS研究概述  9-10
    1.2.2 内模控制结构研究  10-11
    1.2.3 内模控制算法研究  11-12
    1.2.4 先进控制与内模控制的结合  12-13
  1.3 论文研究内容及章节安排  13-14
2 无线网络控制系统描述  14-23
  2.1 无线网络控制系统结构  14-15
  2.2 有线与无线网络控制系统基本问题  15-20
    2.2.1 网络诱导时延  15-17
    2.2.2 采样周期  17-18
    2.2.3 网络调度  18-19
    2.2.4 单包传输与多包传输  19-20
    2.2.5 数据包丢失  20
    2.2.6 节点的驱动方式  20
  2.3 无线网络控制系统特殊问题  20-21
    2.3.1 带宽有限  20-21
    2.3.2 节点移动  21
    2.3.3 能耗问题  21
  2.4 WiNCS仿真工具  21
  2.5 本章小结  21-23
3 基于内模控制的WiNCS  23-33
  3.1 一自由度内模WiNCS  23-26
    3.1.1 内模控制性质  24
    3.1.2 内模控制设计与分析  24-26
  3.2 一自由度内模WiNCS仿真  26-29
    3.2.1 仿真设计  27-28
    3.2.2 结果分析  28-29
  3.3 二自由度内模WiNCS  29-30
    3.3.1 系统结构  29-30
    3.3.2 二自由度内模控制设计  30
  3.4 二自由度内模WiNCS仿真  30-32
    3.4.1 仿真设计  31-32
    3.4.2 结果分析  32
  3.5 本章小结  32-33
4 基于改进内模控制的WiNCS  33-45
  4.1 预备知识  33-34
  4.2 针对不稳定时滞对象的改进内模控制  34-36
    4.2.1 系统结构  35-36
    4.2.2 系统设计  36
  4.3 被控对象右半平面存在极点的仿真  36-40
    4.3.1 模型匹配仿真  37-39
    4.3.2 模型失配仿真  39-40
  4.4 被控对象在原点存在极点的仿真  40-41
    4.4.1 模型匹配仿真  40
    4.4.2 模型失配仿真  40-41
  4.5 二阶不稳定时滞被控对象仿真  41-44
    4.5.1 模型匹配仿真  43
    4.5.2 模型失配仿真  43-44
  4.6 本章小结  44-45
5 一类非最小相位系统的改进内模WiNCS  45-50
  5.1 引言  45
  5.2 非最小相位系统控制器设计  45-46
  5.3 右半平面存在零点的仿真  46-48
    5.3.1 模型匹配仿真  46-47
    5.3.2 模型失配仿真  47-48
  5.4 不同滤波器参数的仿真  48-49
  5.5 本章小结  49-50
6 总结与展望  50-52
  6.1 总结  50
  6.2 展望  50-52
参考文献  52-56
附录  56-57
致谢  57

基于改进内模控制的无线网络控制系统研究

内容摘要

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