網絡控制系統(tǒng)變采樣周期動態(tài)調度研究.pdf

1、網絡控制系統(tǒng)(Networked Control Systems, NCS)是基于網絡平臺的控制系統(tǒng)。通信網絡的引入，一方面給控制系統(tǒng)的設計帶來了便利，使網絡控制系統(tǒng)在冶金、化工、機械制造等領域得到廣泛應用；但另一方面也帶來了一些問題，例如，數(shù)據包丟失，數(shù)據包亂序、網絡時延等。目前，關于采用網絡控制系統(tǒng)調度策略來提高網絡控制系統(tǒng)性能的研究是一個重要的研究方向，其研究對推動控制理論的發(fā)展具有重要的理論價值和實際應用意義。
　　本文主

2、要研究網絡控制系統(tǒng)變采樣周期動態(tài)調度方法，兼顧網絡控制系統(tǒng)的網絡性能和控制性能，提出一種多回路網絡控制系統(tǒng)變采樣周期動態(tài)調度策略，以其改善網絡控制系統(tǒng)的性能。本文主要內容包括：
　　多回路網絡控制系統(tǒng)變采樣周期動態(tài)調度策略的提出。本文分析了采樣周期對網絡控制系統(tǒng)性能的影響，討論了基于模型參數(shù)、調度算法和預測控制的變采樣周期調節(jié)方法。并在此研究基礎上，提出一種多回路網絡控制系統(tǒng)變采樣周期動態(tài)調度策略，即在網絡控制系統(tǒng)平臺上設置一個包

3、含網絡狀態(tài)監(jiān)測模塊、調度算法模塊、優(yōu)先級調度模塊和據發(fā)送模塊的變采樣周期動態(tài)調度器。網絡狀態(tài)監(jiān)測模塊，監(jiān)測網絡時延參數(shù)和控制系統(tǒng)輸出參數(shù)；并基于過程控制的對象連接與嵌入（OLE for Process Control, OPC）通信技術將網絡時延傳輸至調度算法模塊。調度算法模塊，基于監(jiān)測的網絡時延參數(shù)，采用預測算法對下一時刻網絡時延做出預測；在限定的網絡利用率約束下，確定下一時刻采樣周期預測值，并根據控制系統(tǒng)輸出誤差性能指標，確定是否調

4、節(jié)控制回路采樣周期。優(yōu)先級調度模塊，根據控制系統(tǒng)輸出誤差大小確定調節(jié)采樣周期控制回路優(yōu)先級。數(shù)據發(fā)送模塊，采用OPC通信技術將采樣周期分配至各控制回路。
　　網絡時延的實驗測量。因為獲取網絡時延參數(shù)的測量值是多回路網絡控制系統(tǒng)變采樣周期動態(tài)調度策略的基礎和前提，所以本文對網絡時延測量方法進行了討論，研究了基于數(shù)據包大小和網絡數(shù)據傳輸速率對網絡時延的影響。并采用基于可編程控制器（Programmable Logic Controll

5、er, PLC）掃描周期的網絡時延測量方法，獲取了網絡時延實驗數(shù)據，為進一步的網絡時延的建模與預測準備了數(shù)據樣本。
　　網絡時延建模和預測。根據網絡狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測的網絡時延樣本，建立了網絡時延的自回歸滑動平均（Auto Regressive Moving Average, ARMA）模型，調度算法模塊根據所建立的ARMA模型，采用魯棒Kalman濾波參數(shù)估計方法對模型參數(shù)做出估計，并結合最小方差法，實現(xiàn)了對下一時刻網絡時延的預測

6、。針對根據提出的預測算法，運用Matlab軟件編寫了算法程序，開展了相關仿真研究。仿真結果表明，網絡時延的預測值趨近于真實值。
　　變采樣周期動態(tài)調度的實現(xiàn)。為了驗證變采樣周期動態(tài)調度策略的可行性，搭建基于PROFIBUS網絡的實驗平臺，設計了通訊測試程序，實現(xiàn)采樣周期動態(tài)調節(jié)。采用基于PLC掃描周期的網絡時延測量方法獲得網絡時延值；基于OPC通信技術實現(xiàn)了服務器和客戶端的數(shù)據傳輸；客戶端的Matlab軟件根據在線測量網絡時延值，