网络化的控制系统的时延特性分析

华北电力大学本科毕业设计（论文）1I网络化的控制系统的时延特性分析摘要随着网络通信技术和计算机网络技术的迅猛发展，从而促使了网络控制系(networkedcontrolsystem，NCS）的出现和发展。所谓的NCS简单的说就是通过实时网络形成的一种闭环反馈控制系统。现以成为国内外的一个新的研究反向。就我国而言，基于网络控制的系统被不断的应用和发展，在技术方面也取得了显著的成绩，但是网络控制系统的技术体系和理论基础远远没有形成。所以深入系统地研究网络控制系统对于国家工业水平的提升，生产力的发展有着重要的意义。网络控制系统具有信息资源共享、连接线数大大减少、分布控制、易于扩展维修、高可靠性等优点。是未来控制系统的重要发展模式。尽管网络控制系统与传统控制系统相比有很多的优势，但是由于网络的介入，通信机制与通信协议的原因，以及网络的带宽有限并且被系统中的各个节点所共享，当传感器、控制器和执行机构通过网络进行数据交换时，不可避免地会出现数据碰撞以及排队等待、网络拥堵、数据包丢失、数据传输时延、网络连接中断等现象，严重时甚至可能导致系统的不稳定。本文着重分析不同时延分布时对网络控制系统稳定性的影响以及在不同网络环境和不同网络负载时对网络控制系统的稳定性的影响。学习使用truetime仿真平台并练习搭建不同的网络控制系统模型，分别详细的分析不同的情况下对系统性能的影响，为网络控制系统的设计器提供依据。关键词：网络控制系统;truetime;网络诱导延时;网络环境;网络负载华北电力大学本科毕业设计（论文）IIDELAYCHARACTERISTICANALYSISOFNETWORKEDCONTROLSYSTEMAbstractWiththerapiddevelopmentofnetworkcommunicationtechnologyandcomputernetworktechnology,theemergenceanddevelopmentofnetworkcontrolsystem(controlsystemnetworked,NCS)hasbeenpromoted.Theso-calledNCSsimplesaidthattheformationofareal-timenetworkthroughaclosed-loopfeedbackcontrolsystem.Nowtobecomeanewresearchathomeandabroadreverse.Asfarasourcountryisconcerned,thesystembasedonnetworkcontrolhasbeenappliedanddevelopedcontinuously,andhasmaderemarkableachievementsintechnology,butthetechnicalsystemandtheoreticalfoundationofthenetworkcontrolsystemisfarfromforming.Soin-depthandsystematicstudyofthenetworkcontrolsystemfortheimprovementofthenationalindustriallevel,thedevelopmentofproductiveforcesisofgreatsignificance.Networkcontrolsystemhastheadvantagesofsharinginformationresources,greatlyreducingthenumberofconnectinglines,distributioncontrol,easytoextendmaintenance,highreliabilityandsoon.Isanimportantdevelopmentmodelofthefuturecontrolsystem.Althoughthenetworkcontrolsystemandtraditionalcontrolsystemhasmanyadvantagescomparedto,butduetotheinterventionofthenetwork,communicationmechanismandthecommunicationprotocol,andnetworklimitedbandwidthandissharedbyallnodesinthesystem,whenthesensor,controllerandactuatorviathenetworkfordataexchange,inevitablywillcrashdataandwaitinginline,networkcongestionandpacketloss,datatransmissiondelay,networkconnectioninterruptionphenomenon,seriouswhenmayevenleadtosysteminstability.Thispaperfocusesontheanalysisoftheinfluenceofdifferenttimedelayonthestabilityofnetworkedcontrolsystemsandthestabilityofnetworkcontrolsystemunderdifferentnetworkenvironmentsandloads.Learningtousetruetimesimulationplatformandpracticetobuilddifferentnetworkcontrolsystemmodel,respectively,detailedanalysisoftheimpactofdifferentconditionsonthesystemperformance,toprovidethebasisfornetworkcontrolsystemdesigner.Keywords:networkcontrolsystem,truetime,networkinduceddelay,networkenvironment,networkload华北电力大学本科毕业设计（论文）目录摘要……………………………………………………………………………………………ⅠAbstract…………………………………………………………………………………………Ⅱ1绪论…………………………………………………………………………………11.1研究的目的与意义………………………………………………………………………11.2网络控制系统研究的现状与方法………………………………………………………11.2.1网络控制系统的研究现状………………………………………………………………11.2.2预测控制…………………………………………………………………………………21.2.3网络控制系统的调度……………………………………………………………………21.2.4鲁棒控制…………………………………………………………………………………32网络控制系统的时延特性……………………………………………………………42.1时延产生的原因……………………………………………………………………………42.2时延的分类…………………………………………………………………………………42.3NCS中信息传输时延的构成………………………………………………………………42.4时延对系统性能的影响……………………………………………………………………53网络控制系统的建模…………………………………………………………………63.1对NCS建模条件的描述…………………………………………………………………63.2网络控制系统的建模……………………………………………………………………64网络控制系统的仿真说明……………………………………………………………84.1MATLAB简述………………………………………………………………………………84.2TrueTime仿真器……………………………………………………………………………84.2.1对TrueTime仿真器的基本认识…………………………………………………………84.2.2truetime功能模块简介…………………………………………………………………94.2.3truetime安装的简要概述………………………………………………………………105不同网络环境对网络控制系统性能的影响………………………………………115.1对网络环境的认识………………………………………………………………………115.2仿真实例…………………………………………………………………………………115.3仿真总结与认识…………………………………………………………………………196不同的网络负载对网络控制性能的影响…………………………………………206.1对网络负载的认识………………………………………………………………………206.2仿真研究…………………………………………………………………………………206.3仿真结果分析总结………………………………………………………………………267不同时延分布时对网络控制系统稳定性的影响…………………………………277.1仿真实例…………………………………………………………………………………27华北电力大学本科毕业设计（论文）7.2仿真分析与总结…………………………………………………………………………31实验总结与展望………………………………………………………………………………32参考文献………………………………………………………………………………………33致谢……………………………………………………………………………………………35华北电力大学本科毕业设计（论文）11绪论1.1研究的目的与意义随着计算机网络的广泛使用和电子通信的飞速发展，智能化的传感器、控制器和执行机构应运而生，这也为网络控制系统的出现和发展打下了一定的物质基础。所谓网络控制系统（networkedcontrolsystem，NCS）就是指通过一系列的网络通信信道将分布于不同地理位置的传感器、控制器和执行器连接起来，从而形成一种分布实时的反馈闭环控制系统。在传统的控制系统系统中采用点对点的结构来实现传感器、控制器和执行器之间的信息传递，相比较来说网络控制系统的优势在于可以实现资源共享和远程分布控制、连线少、结构灵活、成本低、维护方便、通信协议开放等诸多优点[1]。当前虽然大多数工业现场依然采用集散控制系统作为主要的控制方式，但是它的诸多优越性必然会导致它被越来越多的领域所接受，发展前景一片大好。然而在网络控制系统中，由于通信机制和通信协议的原因，同时由于网络的带宽有限并且系统中各个节点是共享的，因此，当NCS中传感器、控制器和执行器之间的节点在通过网络交换数据时往往会出现多包传输、数据碰撞、网络拥堵、等待排队、网络连接中断等不好的现象，这样就使得网络控制系统不可避免地出现数据传输时延、数据包丢失的问题。延时会降低系统的控制性能，使系统的稳定性范围变窄，甚至造成系统的不稳定。所以，如何处理网络诱导时延对网络控制系统的影响已经成为了网络控制系统的主要挑战。NCS是集网络通信和控制系统于一体的复杂的控制系统，涉及多种科学领域。如：控制论、计算机科学、软件工程、信息论等。其中控制论、计算机网络技术和信息论是网络控制系统的理论基础。Murray等[24]提出：控制、计算机和通信的集成将是控制科学的一个重要发展方向，网络控制系统则正是这一发展发展方向的具体体现。在网络硬件和设备成本日益下降以及软件业蓬勃发展的今天，对网络控制系统的应用拓展已经是势在必行，也是十分有意义的。1.2网络控制系统研究的现状与方法1.2.1网络控制系统的研究现状网络控制系统是集网络通信和控制科学于一体的复杂的分布式控制系