（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）gpc算法在帶時延的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中控制性能補償研究.pdf

武漢理工大學碩士學位論文 摘要 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)給人們的日常生活帶來了巨大的便捷和高效的同時，也給控 制領域帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)?？刂萍夹g與網(wǎng)絡信息的結(jié)合，使得控制 系統(tǒng)已經(jīng)在一定的范圍內(nèi)突破了在地域上的限制，這使控制領域發(fā)生了巨大的 變化和轉(zhuǎn)型。然而由于網(wǎng)絡速率以及網(wǎng)絡帶寬的限制，不可避免的帶來了網(wǎng)絡 時延，該時延無法消除，且隨著網(wǎng)絡負擔的加重，甚至會出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，導致 控制系統(tǒng)不能實時的控制，從而使系統(tǒng)性能下降甚至造成不穩(wěn)定。因此，在網(wǎng) 絡化控制系統(tǒng)中，如果要提高系統(tǒng)的控制性能，網(wǎng)絡時延是首要考慮的問題。 在國家自然科學基金重點項目的資助下，通過對國內(nèi)外網(wǎng)絡數(shù)字控制理論 中關鍵技術研究的現(xiàn)狀比較分析，本文從網(wǎng)絡時延補償方面進行了相關研究。 在理論研究方面，本文首先對要實驗的因特網(wǎng)內(nèi)不同時段的網(wǎng)絡時延進行 了測試，通過仿真比較和分析了不同時延時網(wǎng)絡控制系統(tǒng)性能指標。接著，通 過對不同時延補償算法的學習和探討，本文在g p c 算法基礎上引入了階梯式策 略和隊列選擇機制。階梯式策略是通過引入階梯式因子，將g p c 算法運算過程 中高維的矩陣運算降低，減小算法的運算復雜度；而隊列選擇機制將接收到的 數(shù)據(jù)包按照時間新舊進行排序，當當前接收的數(shù)據(jù)包時間片最新時，將采用當 前的數(shù)據(jù)包參與運算，當接收到的數(shù)據(jù)包不是最新時，那么在隊列中選擇時間 片最新的數(shù)據(jù)包，此機制有效的解決了數(shù)據(jù)傳輸過程中時延過大或者丟包、錯 包等問題。最后，本文以采用m a t l a b 和t r u e t i m e 工具箱建立了該機床的進給 傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡控制模型，并在不同時延的情況下，分別采用本文改進的g p c 算 法和文獻 2 3 中的g p c 算法進行仿真，對比結(jié)果表明，改進g p c 算法能有效的 提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別在時延相對較大的情況下，更能顯示它的優(yōu)越性，從 理論上驗證了算法的有效性和可行性。 在實驗測試方面，本文詳細介紹了改進g p c 算法的代碼實現(xiàn)流程，并采用 m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 軟件建立了數(shù)控機床網(wǎng)絡控制系統(tǒng)平臺。但是由 于數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、速度控制環(huán)及算法調(diào)試的有待完善，此部分還有待進一步的 研究。 關鍵詞：網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，預測控制，隊列選擇機制，階梯式控制，數(shù)控機床 武漢理工大學碩士學位論文 a b s t r a c t a sc o n v e n i e n c ea n de f f i c i e n c yw e r eb r o u g h tt oo u rd a i l yl i v e sw i t l lt h en e t w o r k c o n t r o l s y s t e m s ( n c s ) a p p l i c a t i o n , b o t ho p p o r t u n i t i e s a n dc h a l l e n g e sa l s o s u b s e q u e n t l yc a m et ot h ec o n t r o l l i n gf i e l d a st h er e s u l to fc o m b i n a t i o no fc o n t r o l t e c h n o l o g ya n dn e t w o r ki n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , g e o g r a p h i cl i m i t a t i o nw a sb r o k e ni n n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m si nac e r t a i nr a n g e ，t r e m e n d o u sc h a n g e sa n dt r a n s f o r m a t i o n a l s oh a sb e e nh a p p e n e di nt h ec o n t r o lf i e l d h o w e v e r , a st h el i m i t a t i o n so fn e t w o r k s p e e da n dn e t w o r kb a n d w i d t h ，n e t w o r kd e l a yh a sb e e nb r o u g h tt ot h es y s t e m i n e v i t a b l y , t h ed e l a yc a nn o tb ee l i m i n a t e d ，a n di tm a yc a u s ep a c k e tl o s s e s ，a n dt h e n d e g r a d et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m sa n de v e nw o u l dm a k et h es y s t e m d e s t a b i l i z ea st h en e t w o r kb u r d e na g g r a v a t i o n t h en e t w o r kd e l a yi st h em o s t i m p o r t a n tp r o b l e mi nt h en c si fy o uw a n tt oi n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l s y s t e m s w i t ht h es u b s i d i z a t i o no ft h ek e yp r o j e c to ft h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e sf u n d a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r ea n da n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h en e t w o r k e dd i g i t a l c o n t r o lt h e o r ya n dk e yt e c h n o l o g yi nd o m e s t i c o v e r s e a s 1 1 1 en e t w o r kt i m e d e l a y c o m p e n s a t ea l g o r i t h m i cw a sr e s e a r c h e di nb o t ht h e o r ya n dp r a c t i c es i d e s t h e o r e t i c a l l y ，t h en e t w o r kt i m e d e l a yw a st e s t e da n ds i m u l a t e db e t w e e nt h et w o c o m p u t e r s ，t h ep r o p e r t i e so fd i f f e r e n tt i m e d e l a yw a sc o m p a r e da n da n a l y s e d a c c o r d i n gt os t u d yt h e d i f f e r e n tt i m e - c o m p e n s a t ea l g o r i t h m s ，a ni m p r o v e dg p c a l g o r i t h m i cw a si n t r o d u c e d q u e u e - s e l e c ts t a i r - l i k eg p ca l g o r i t h m w i t ht h es t a i r - l i k e f a c t o rw a si n t r o d u c e di nt h es t a i r - l i k es t r a t e g y , t h ed i m e n s i o no ft h eb i o r t h o g o n a l m a t r i xa n dt h ea l g o r i t h m i cc o m p l e x i t yw a sr e d u c e de f f i c i e n t l y ；t h er e c e i v e dp a c k e t s w e r eb eq u e u e db yt i m es l i c ei nq u e u e s t r a t e g y , a n dt h en e w e s tp a c k e tw a su s e dt o p a r t i c i p a t et h eo p e r a t e ，w i t l lt h i ss t r a t e g yt h ep r o b l e m so fl a r g et i m e - d e l a y 、p a c k e t s l o s e sa n dp a c k e t sw o r s ew e r es o l v e de f f i c i e n t l y a tl a s t ，t h em a c h i n et o o lf e e dm o v i n g s y s t e mw a ss e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c tt om o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nb ym a t l a b t h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h en e w a l g o r i t h mw a sc o m p a r e dw i t ht h el i t e r a t u r et w e n t y t h r e e i ts h o w st h a tt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fi m p r o v e dg p c a l g o r i t h mi sm u c hb e t t e rt h a n 武漢理工大學碩士學位論文 t h eg p c s e s p e c i a l l yw h e nt h ed e l a yi sb i gi ns o m ed e g r e e t h ef e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h mw a sp r o v e dt h e o r e t i c a l l y f i n a l l y , i nt h ep r a c t i c es i d e s ，t h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fi m p r o v e dg p c a l g o r i t h m w a sd e t a i l e di n t r o d u c e d b a s e d0 1 1c n cm i l l i n gm a c h i n e ，t h en e t w o r k c o n t r o ls y s t e mp l a t f o r mw a sb u i l tb ym i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 b e c a u s eo ft h ed a t a a c q u i s i t i o nl o o p ，t h es p e e dc o n t r o ll o o pa n dt h ed e b u go fa l g o r i t h mn e e dt ob ef u r t h e r i m p r o v e d m o r ep r o f o u n dr e s e a r c ho nt h i sp a r ti se x p e c t e d k e yw o r d s ：n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ，g p c ，q u e u i n g s e l e c ts t r a t e g y ，s t a i r - l i k ec o n t r o l ， d i g i t a lc o n t r o lm a c h i n et o o l i i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 期： 學位論文使用授權書 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權武漢理工大學可以將本學位論文的 全部內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制 手段保存或匯編本學位論文。同時授權經(jīng)武漢理工大學認可的國家有 關機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息 服務。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) ( 澹哼芳鼽弋咖馴吼上7 武漢理工大學碩士學位論文 第1 章緒論 自網(wǎng)絡控制系統(tǒng)( n c s ) n 忍3 1 被提出以來，就一直成為控制領域研究的熱點。 它相對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，具有獨特的優(yōu)點。比如遠程教學、遠程醫(yī)療、數(shù)字制 造等都是網(wǎng)絡在控制系統(tǒng)中發(fā)展和應用的結(jié)果h 一6 1 。然而計算機網(wǎng)絡、通信網(wǎng) 絡與控制系統(tǒng)的結(jié)合，給生產(chǎn)和生活帶來便利的同時，也帶來了更多的挑戰(zhàn)， 對控制系統(tǒng)的分析與設計必須考慮更多的因素，系統(tǒng)分析的對象不再是單獨的 控制過程，還涉及網(wǎng)絡的問題。 本章主要針對網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的研究背景、現(xiàn)狀及相關問題進行簡要的概 述，再針對這些問題對本文的結(jié)構(gòu)進行介紹。 1 1 論文研究的背景和意義 計算機網(wǎng)絡、通信網(wǎng)絡等技術的飛速發(fā)展和廣泛應用，給人們的生產(chǎn)和生 活帶來了前所未有的變化。從通訊、娛樂、信息服務等社會生活領域到冶金、 郵電、化工、物流、金融、電子商務等各種生產(chǎn)服務行業(yè)，無一不體現(xiàn)著網(wǎng)絡 給人們的生活帶來的便利與高效。網(wǎng)絡技術的發(fā)展及其廣泛的應用，不但改變 了人們的生活方式，此外它也引發(fā)了控制領域深刻的技術革新?？刂瓶茖W與計 算機網(wǎng)絡以及數(shù)字通信網(wǎng)絡的交叉與融合使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了 巨大的改變。相對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在一定程度上擺脫了傳統(tǒng)控 制系統(tǒng)在物理位置上的限制，使控制活動的場所更加靈活，另外控制系統(tǒng)的網(wǎng) 絡化，便于工控系統(tǒng)的管理以及信息集成與交互。從目前控制系統(tǒng)的發(fā)展來看， 網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)將是未來控制領域發(fā)展的潮流。 在控制領域，對于加工基地和生產(chǎn)基地在地域上相對不集中的系統(tǒng)，需要 全面的監(jiān)測和了解現(xiàn)場運行狀況和生產(chǎn)狀況，實現(xiàn)遠程控制，顯然傳統(tǒng)的控制 系統(tǒng)無法實現(xiàn)，必須通過網(wǎng)絡遠程控制實現(xiàn)，因此需要引入通信網(wǎng)絡，通過網(wǎng) 絡實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。此外，在一些特殊的應用和作業(yè)過程中，比如在 核環(huán)境、太空作業(yè)、深海作業(yè)等這些較危險或者人類難以到達的環(huán)境中，如果 不引入網(wǎng)絡控制，那么這些領域的研究可能無法進行。因此網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的發(fā) 展將是控制領域未來發(fā)展的方向，對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的研究將對整個社會經(jīng)濟發(fā) 武漢理工大學碩士學位論文 展具有推動型的作用口8 1 。 1 2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的特點以及存在的基本問題 1 2 1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)概述 簡單的講，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)就是在網(wǎng)絡環(huán)境下實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。將網(wǎng)絡技術 應用到傳統(tǒng)的控制領域，以達到傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的控制目的。具體來說，是指在 一定的區(qū)域內(nèi)一些現(xiàn)場檢測設備、控制及操作設備以及通信線路的集合，網(wǎng)絡 用來提供設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，使在該區(qū)域內(nèi)的不同地點的設備和用戶實現(xiàn)資 源共享和協(xié)調(diào)操作。 在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中控制器、傳感器、執(zhí)行器和被控對象都必須在同一個 較小的地理范圍內(nèi)，而在網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)中各種設備可以分布在不同的地理位 置，他們之間信息的交換通過一個共同的網(wǎng)絡平臺來實現(xiàn)，該網(wǎng)絡平臺可以是 無線網(wǎng)絡、有線網(wǎng)絡或者混合網(wǎng)絡。一個典型的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)舊3 如圖卜1 所示： 控制器1il控制器n 通信網(wǎng)絡 囂攀 圖1 1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)原理圖 從圖1 1 可以看出，一個典型的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)通常包含多個子系統(tǒng)，每個子 系統(tǒng)都包括傳感器、執(zhí)行器和控制單元三部分，這些子系統(tǒng)通過計算機網(wǎng)絡和 系統(tǒng)總線連接，共同完成控制任務，其中通信信道為各個子系統(tǒng)所共有。圖l 一1 中傳感器用來從被控對象中周期性的采集信號并通過通信信道傳給控制器，控 制器通過設置的相關算法，計算控制信號再通過通信信道傳給執(zhí)行器，執(zhí)行器 根據(jù)控制器的結(jié)果來控制被控對象。由此可以看出網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的本質(zhì)是信息 ( 參考輸入、對象輸出和控制輸入等) 在控制系統(tǒng)各部件間( 傳感器、控制器和執(zhí) 行器等) 通過網(wǎng)絡進行交換。 2 武漢理工大學碩士學位論文 1 2 2 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)特點 在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡的引入，信息傳輸不確定性問題也隨之出現(xiàn)，與傳 統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比網(wǎng)絡控制系統(tǒng)也具有了一些新的特點n 仉n 1 ： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡化：網(wǎng)絡的引入使得控制系統(tǒng)的各個節(jié)點模塊可以不再集 中在某一區(qū)域內(nèi)，而是隨著網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)的變化呈現(xiàn)出分布式特點。 ( 2 ) 節(jié)點的智能化：在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，各個節(jié)點都是帶有c p u 的智能化 節(jié)點，各個節(jié)點都具有獨立的計算、分析、處理和通信的功能，能夠根據(jù)代碼 的要求實現(xiàn)自己范圍內(nèi)發(fā)生事件的響應，具有局部的控制能力。 ( 3 ) 控制的現(xiàn)場化和功能的分散化：控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡化使原先由中央 控制器控制的任務分配到智能化現(xiàn)場設備上，這使得危險因素也隨著結(jié)構(gòu)的分 散而分散，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。 ( 4 ) 系統(tǒng)的開放化和產(chǎn)品的集成化：遠程控制系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，它 的開發(fā)必須遵循統(tǒng)一的標準進行，因此不同的產(chǎn)品之間也能實現(xiàn)互操作和集成。 從上述網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的特點來看，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在資源共享、遠程控制上 的優(yōu)勢是傳統(tǒng)控制無法實現(xiàn)的。此外，由于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字化信號， 使得信號的抗干擾能力大大增強，因此倍受人們的關注。目前網(wǎng)絡控制系統(tǒng)在 制造業(yè)、航空航天、機器人工業(yè)中正在得到廣泛的應用n 2 “3 1 4 1 5 1 。 1 2 3 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中存在的基本問題 從圖1 - 1 可以看出信息的交換都要經(jīng)過網(wǎng)絡傳輸?shù)?，?shù)據(jù)在信道內(nèi)傳輸?shù)?過程中必然會存在一些問題，比如：數(shù)據(jù)傳輸延時、數(shù)據(jù)包的封裝形式( 單包 傳輸還是多包傳輸) 、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包錯傳、節(jié)點的驅(qū)動方式、網(wǎng)絡調(diào)度策 略等，這些問題都會對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生影響，因此在設計控制器 時必須全面的考慮這些因素的影響，才能設計出控制性能更好的控制器。下面 針對3 個對控制性能影響嚴重的問題進行介紹。 ( 1 ) 網(wǎng)絡傳輸時延 網(wǎng)絡時延是網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中面臨的主要問題之一。網(wǎng)絡時延的存在會降低 控制系統(tǒng)性能，當網(wǎng)絡時延過大時，還可能造成系統(tǒng)失穩(wěn)及不可控。當時延大 于系統(tǒng)的采樣周期時，可能會造成丁時刻的數(shù)據(jù)早于r 一1 時刻到達目的的現(xiàn)象， 也就是數(shù)據(jù)包傳輸出現(xiàn)時序錯亂現(xiàn)象，這種狀況也會對系統(tǒng)造成不良的影響。 參考眾多文獻，對于時序錯亂的問題，一般采用的解決辦法是在數(shù)據(jù)包后添加 3 武漢理工大學碩士學位論文 時間戳，信息接收方根據(jù)時間戳對數(shù)據(jù)包進行辨認排序，從而達到消除時序錯 亂的問題。 ( 2 ) 數(shù)據(jù)包丟失 造成數(shù)據(jù)包丟失的因素很多，比如網(wǎng)絡負載過大、網(wǎng)絡阻塞、節(jié)點中斷等， 另外，節(jié)點之間競爭數(shù)據(jù)的發(fā)送權也會導致丟包現(xiàn)象。除此之外，當數(shù)據(jù)包在 傳輸過程中傳輸出錯而被要求重發(fā)時，如果該數(shù)據(jù)包在規(guī)定的重發(fā)時間內(nèi)或者 重復次數(shù)內(nèi)還沒有發(fā)送成功，那按照傳輸協(xié)議，該數(shù)據(jù)包將會被丟棄。這些都 視為數(shù)據(jù)包丟失。 對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)而言，過大的丟包率是系統(tǒng)無法忍受的，數(shù)據(jù)包丟失相當 于網(wǎng)絡通道暫時被斷開，如果丟包率太大，就會導致大量的控制數(shù)據(jù)以及反饋 數(shù)據(jù)等無法傳達到指定的對象，如果不對這種情況進行處理，系統(tǒng)在該時刻的 狀況是未知的，嚴重時會導致后面的數(shù)據(jù)包時序全部錯亂，系統(tǒng)會完全失控。 目前，針對丟包問題的研究也取得了一定的成果n 氐1 7 一羽。 ( 3 ) 網(wǎng)絡調(diào)度策略 網(wǎng)絡調(diào)度是為了解決數(shù)據(jù)在信道傳輸過程中同時訪問網(wǎng)絡造成的沖突問 題。當大量的數(shù)據(jù)同時訪問網(wǎng)絡時，會造成網(wǎng)絡擁塞，此時網(wǎng)絡調(diào)度必須制定 一個合理的“疏通 規(guī)則，即每個數(shù)據(jù)包以什么優(yōu)先級形式或者在什么時刻傳 輸。網(wǎng)絡調(diào)度策略的原則是盡量避免網(wǎng)絡沖突和信道阻塞現(xiàn)象的發(fā)生，使網(wǎng)絡 資源盡可能的合理分配。 調(diào)度策略分為靜態(tài)調(diào)度和動態(tài)調(diào)度兩種n 9 1 。靜態(tài)調(diào)度是在系統(tǒng)運行之前就 確定了各個節(jié)點數(shù)據(jù)包的發(fā)送順序和時間間隔，這種調(diào)度方式采用時間片輪轉(zhuǎn)， 各個數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔固定不變，超過規(guī)定的發(fā)送時間，當前發(fā)送的數(shù)據(jù)停止 傳輸，下一個時間片的數(shù)據(jù)開始傳輸。動態(tài)調(diào)度的調(diào)度規(guī)則是系統(tǒng)在運行過程 中動態(tài)的決定數(shù)據(jù)的發(fā)送規(guī)則，其發(fā)送順序和時間間隔均不確定。與前者相比， 動態(tài)調(diào)度策略更能合理的利用網(wǎng)絡資源，但其在系統(tǒng)設計和實現(xiàn)中要復雜很多。 1 3 課題來源及本文的主要工作 1 3 1 課題來源 本課題來源于由周祖德教授負責主持，龍毅宏和尹勇兩位老師參與的國家 自然科學基金項目：基于資源的網(wǎng)絡數(shù)字控制新理論及關鍵技術研究( 項目編 4 武漢理工大學碩士學位論文 號：5 0 6 7 5 1 6 6 ) 。本課題主要負責該項目中網(wǎng)絡傳輸中時延補償算法優(yōu)化子模塊。 1 3 2 課題的主要工作和安排 本課題研究的主要內(nèi)容是針對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中時延給系統(tǒng)帶來的不利影 響，設計相應的補償算法，達到改善系統(tǒng)控制性能的目的，并通過從理論上和 實際網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實驗平臺驗證算法的有效性和可行性。本文共分為五章來闡 述，具體安排如下： 第1 章：介紹本課題研究的背景和意義、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和特點， 同時提出網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中存在的一些基本問題。 第2 章：對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的時延進行分類，推導時延計算公式，并測試 因特網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)絡時延的分布情況，對不同網(wǎng)絡時延進行仿真，分析時延對網(wǎng)絡控 制系統(tǒng)控制性能的影響。 第3 章：介紹常用的時延補償算法，并對各種時延補償算法優(yōu)缺點進行分 析和比較，并結(jié)合本文的需求，最終確定廣義預測控制( g p c ) 算法作為本系統(tǒng) 的總體控制策略，針對g p c 算法中大量的矩陣運算而導致的算法運算復雜度非 常大這一不足之處，本文提出了階梯式g p c 算法，通過引入階梯式因子，有效 的減少矩陣運算，同時，為了克服網(wǎng)絡丟包、網(wǎng)絡時延過大等情況的影響，本 文在執(zhí)行器中添加了緩沖器，并采取隊列一選擇機制選擇合適的控制量。最后， 建立機床刀具位置控制網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，將改進g p c 算法應用到該系統(tǒng)中進行仿 真，驗證算法的有效性和可行性。 第4 章：基于華中數(shù)控公司世紀星系列h n c 一2 1 2 2 m 型號數(shù)控銑床，采用 客戶端朋艮務器模式，借助v b 6 0 軟件建立基于數(shù)控機床網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實驗平臺， 并詳細介紹改進g p c 算法在該平臺上的實現(xiàn)過程。 第5 章：對全文所做工作進行總結(jié)，并提出下一步有待進一步研究的問題。 武漢理工大學碩士學位論文 第2 章網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中時延分析 通信網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)中的融合，使得對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的分析和設計變得 更為復雜。在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中存在很多理想化假設，如時鐘的同步，采樣和 執(zhí)行的無時延性等。但在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中這些假設不成立，由于控制器和執(zhí)行 器在地域上的分散性，控制器發(fā)出的控制信息在經(jīng)過有限的信道傳輸時，需要 一定的時間，受網(wǎng)絡負載等因素的影響，時延存在很大的隨機性，可能在一個 周期內(nèi)如果還沒有傳輸?shù)綀?zhí)行器，此時下一個周期的控制信息的到來將會產(chǎn)生 信息的碰撞或者時序錯亂，一旦出現(xiàn)這些狀況，那么控制信息將不是實時信息。 這些問題給網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計帶來了很大困難。此外，由于目前普遍采用的協(xié) 議是t c p i p 協(xié)議，而i p 協(xié)議本身是一個不可靠的傳輸協(xié)議，它不會檢測數(shù)據(jù) 包是否到達，這導致各個節(jié)點的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中不可避免的存在延時和丟 包現(xiàn)象。另外，由于網(wǎng)絡帶寬和i p 協(xié)議對數(shù)據(jù)包長度的限制，數(shù)據(jù)在傳輸過程 中可能被分割成多個數(shù)據(jù)包進行傳輸，而每一個數(shù)據(jù)包在到達目的地的過程中 所經(jīng)過的路徑并不完全相同。到達目的主機的時間也不一樣，數(shù)據(jù)包在傳遞過 程中還有可能被誤傳甚至丟失。此外，即使是采用單包傳輸，相鄰兩個采樣時 刻的數(shù)據(jù)包可能通過不同的傳輸路徑從一個節(jié)點到達下一個節(jié)點，這樣可能導 致r 時刻的數(shù)據(jù)早于丁一l 時刻到達目的的現(xiàn)象，顯然這是控制系統(tǒng)所不期望的。 上述問題歸結(jié)為一點就是網(wǎng)絡時延問題，網(wǎng)絡時延的存在不僅會降低系統(tǒng) 的控制性能，還會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，尤其對于實時性要求高的快速系統(tǒng)，影 響更大。因此在設計網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時，網(wǎng)絡時延不可忽視。 2 1 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延組成 為了更清楚的說明網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延組成部分，圖2 - 1 給出了帶有時延的 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。 6 武漢理工大學碩士學位論文 圖2 - 1 帶有時延的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖 從圖2 - 1 中可以看出，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的時延丁主要可以分為兩部分： 1 ) 端處理時延瓦，端處理時延主要是指各個節(jié)點在處理接收到的數(shù)據(jù)過程 中產(chǎn)生的時延f ：，f ；，f ；，則瓦= + + 。 2 ) 網(wǎng)絡時延瓦。，網(wǎng)絡時延是數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸過程中所需的時間，。是 數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)娇刂破髟诰W(wǎng)絡信道中所耗費的總時間；是控制信息從控 制器端到達執(zhí)行期端的過程中，數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡信道中傳輸?shù)臅r間，因此 t 懈= 彳誓+ f 挈。 因此，系統(tǒng)的總時延丁= 巧- i - 甜，巧是數(shù)據(jù)在節(jié)點中計算、打包以及把數(shù)據(jù) 放到網(wǎng)絡線路之前的時間，瓦，的大小主要由系統(tǒng)的軟件和硬件設備的性能決定， 通常瓦是一個固定值。相對于系統(tǒng)的總時延巧往往忽略不記，在本文的研究過 程中也將忽略。網(wǎng)絡時延乙，包括物理線路的傳輸時延、路由器處理時延、 隊列等待時延等。由于不同數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡線路中傳輸過程中所經(jīng)歷的路由不同 以及路由個數(shù)不確定，因此乇，的大小不確定。 2 2 網(wǎng)絡傳輸時延的計算 計算網(wǎng)絡時延是要得到一個數(shù)據(jù)包從一個主機發(fā)送，到另一個主機接收到 數(shù)據(jù)包的傳輸時間，對于現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)來說，可以利用時鐘同步方法使得 每一個節(jié)點時鐘同步瞳們，從而得到兩點的延時，因此在局域網(wǎng)中節(jié)點a 到節(jié)點b 網(wǎng)絡時延可以通過式( 2 1 ) 計算： 7 武漢理工大學碩士學位論文 = 乞一 ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中，為節(jié)點a 發(fā)送數(shù)據(jù)包的起始時間，由發(fā)送端標識；易為節(jié) 點b 接收到數(shù)據(jù)包的時間，由接收端標識。然而，對于大范圍的分布式網(wǎng)絡， 兩地的系統(tǒng)時鐘幾乎難以做到精確同步，所以不能采用上述計算方法。在此， 引入往返時間r t t 的概念乜。一個r t $ 是一個數(shù)據(jù)包從一個主機傳到另一個主 機又返回到原來的發(fā)送節(jié)點所花的時間。按此計算，單程的時延可以近似表示 為式( 2 - 2 ) 所示 f = r 玎2( 2 - 2 ) 為了計算往返時間r t t ，定義4 個時間標簽： t l - - 節(jié)點a 發(fā)送時刻；f 2 一節(jié)點b 接收時刻；f 3 一節(jié)點b 往返發(fā)送時刻；t 4 - - 返回到達節(jié)點a 時刻。 其中，f 1 ，f 4 由發(fā)送端節(jié)點a 標識，f 2 ，f 3 由接收端節(jié)點b 標識。則有 r 丁r = ( t 4 一t 1 ) 一q 3 一t 2 ) ( 2 3 ) 根據(jù)標識可知( t 3 一t 2 ) 是接收端的處理時間，由于處理時間遠遠小于傳輸時 間。因此，( t 3 一t 2 ) 近似為0 ，這樣式( 2 - 3 ) 可表示為式( 2 - 4 ) 尺玎= t 4 - t l( 2 4 ) 因此，獲得發(fā)送節(jié)點的兩個時間標簽，即可得到往返時延r t t 值。 2 3 時延對控制系統(tǒng)的影響 2 3 1 時延測試 為了便于后文的研究，在此先進行網(wǎng)絡時延測試。實驗測試的方法很多， 本課題采用p i n g 工具對網(wǎng)絡時延進行測試，將測試的結(jié)果保存在e x c e l 中，通 過m a t l a b 讀取e x c e l 中的數(shù)據(jù)畫圖顯示網(wǎng)絡時延情況口羽。時延測試在兩臺p c 機上進行，它們分別位于武漢理工大學鑒湖校區(qū)鑒二實驗室和東院機電學院數(shù) 字制造重點實驗室，i p 地址分別是2 0 2 1 1 4 9 3 5 和2 0 2 1 1 4 6 3 1 7 9 針對不同 的時間段測試結(jié)果如圖2 - 2 和圖2 3 所示， 8 武漢理工人學碩上學位論文 圖2 2 負載小時時延測試圖2 - 3 負載較大時時延測試 圖2 - 2 是在上午測試的兩p c 機之聞的網(wǎng)絡測試時延情況中選擇的時延較大 的一組。圖2 - 3 是在下午2 點到晚上9 點之間測試的數(shù)據(jù)中時延最大的一組。圖 2 - 2 和圖2 3 均為剿除異點之后，目2 - 2 中1 2 0 0 個測試點中，丟包數(shù)量為2 ，時延 大于5 m s 的有1 2 個數(shù)據(jù)包一般延時在l m s 左右，計算得出的平均時延為 09 9 9 m s 。在圖2 3 中1 2 0 0 個數(shù)據(jù)包中，丟包數(shù)量為6 ，時延大于l o m s 有6 個， 一般時延都小于8 m s ，同樣剔除異點后計算得出的平均時延為74 m s 。通過對網(wǎng) 絡時延測試的比較可以看出：受網(wǎng)絡負載的影響，不同時段的網(wǎng)絡時延存在明 顯差異，一般來說晚上的網(wǎng)絡負載比下午的要大得多。 根據(jù)上述分析可雌推測，當在控制系統(tǒng)中引入網(wǎng)絡之后，隨之將會帶來阿絡 時延、數(shù)據(jù)包丟失等問題，這都會影響到網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制性能，且隨著剛絡 時延的加大，系統(tǒng)丟包率隨之變高，系統(tǒng)的不穩(wěn)定性也會加強。因此要想提高 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的控制性能，彌補網(wǎng)絡時延帶來的不良影響不可忽視。出于系統(tǒng) 穩(wěn)定性的考慮，對于工控系統(tǒng)，一般都將控制囂和被控對象盡量的設計在同一 個局域網(wǎng)中。因此本文也將主要對于局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)進行仿賓研究。 2 3 2 時延對控制系統(tǒng)影響分析 時延會造成控制系統(tǒng)響應滯后，系統(tǒng)多次振蕩等問題，這直接影響系統(tǒng)的 穩(wěn)定性，為了說明時延對控制系統(tǒng)的影響，下面通過一個具體的控制實例來量 化不同時延大小的情況下，系統(tǒng)控制性能指標的變化，圖24 是帶叫延的控制 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 武漢理工大學碩士學位論文 圖2 - 4 帶時延的控制系統(tǒng)例子 如圖2 - 4 所示，是以直流電動機為被控對象的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)模型。從模型 來看，它是一個簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中： r ( s ) 一參考輸入；e ( s ) 系統(tǒng)誤差，且e ( s ) = r ( s ) 一y ( s ) ；u ( s ) 控制輸出； 】，( j ) 一系統(tǒng)輸出；q 和q 分別表示控制器和被控對象的傳遞函數(shù)，在該系統(tǒng) 實例中控制器采用p i 控制算法，kp = o 1 ；k f = 0 2 5 。g p ) 采用參考文獻 【2 3 】中直流電機模型： q ( s ) = 而麗2 0 麗2 9 8 硒2 6 荀 時延嚴= 嚴= r 2 ，丁分別取值為l m s ，1 0 m s ，4 0 m s ，6 4 m s ，l o o m s ，參考輸入 為階躍函數(shù)，仿真結(jié)果如圖2 5 所示。 一 ， p l m s， 一一l o r e s ， 一扣1 0 0 m =f - 4 0 f n ， ? 。o 。一t = 6 4 m s 一母 j ? j ，t t ， t 善一一 - 店 么簽： 、 ， 。 l _ j 么彩 、二 j ? 。一 氣 一 薯1 ：；一 ， 7 l 、 t l ，4 仿真時同 圖2 5 不同時延下系統(tǒng)階躍響應曲線 圖2 - 5 是以上文中的直流電機為被控對象的仿真結(jié)果，為了更明確的體現(xiàn) 時延對控制系統(tǒng)性能的影響，網(wǎng)絡時延分別取為l m s ，1 0 m s ，4 0 m s ，6 4 m s ，l o o m s 。 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 比較不同時延下系統(tǒng)控制性能的輸出，可以看出系統(tǒng)時延在l m s 時，系統(tǒng)超調(diào) 量相對較小，且經(jīng)過短時間的調(diào)整，系統(tǒng)慢慢穩(wěn)定，隨著時延的加大但時延小 于6 4 m s 時，系統(tǒng)的超調(diào)量慢慢加大，調(diào)整時間變長，調(diào)整速度變慢，但總體來 講，整個系統(tǒng)始終處于收斂狀態(tài)，說明系統(tǒng)會在未來某一時刻處于穩(wěn)定狀態(tài)， 即y ( o o ) 一 參考值，此時系統(tǒng)仍然可控，但是如果一個系統(tǒng)的調(diào)整時間太長，在 實際的應用中，該控制策略是不可取的。當系統(tǒng)時延在5 4 m s 左右時，系統(tǒng)輸出 基本處于等幅震蕩狀態(tài)，即系統(tǒng)輸出y ( o o ) 不會趨于參考值，而是一直在參考值 附近波動，這種情況系統(tǒng)一直都處于不穩(wěn)定狀態(tài)。當系統(tǒng)網(wǎng)絡時延大于6 4 m s 之 后，隨著時延的加大，系統(tǒng)處于發(fā)散狀態(tài)，經(jīng)過若干時間的控制系統(tǒng)輸出變?yōu)? 0 ， 此時系統(tǒng)已經(jīng)不可控，即系統(tǒng)處于完全失控狀態(tài)，很明顯控制策略已經(jīng)完全不 符合系統(tǒng)的要求。圖2 5 系統(tǒng)控制性能狀態(tài)可以用表1 1 概括。 表1 1 不同時延下系統(tǒng)性能指標 時延穩(wěn)態(tài)值峰值超調(diào)量( )上升時間( s )調(diào)整時間 ( f s ) y ( o o ) ( s ) 0 0 0 1參1 1 0 0 31 0 0 1 4 2 0 3 4 1 50 5 0 4 2 0 0 1考1 1 8 8 71 8 8 6 1 8 0 3 2 7 20 8 1 9 4 o 0 4值1 6 2 6 76 3 4 6 0 2 0 3 5 5 91 9 8 0 5 1 0 0 6 4 等幅震蕩 2 1 5 1 42 0 6 7 2 0 3 0 3 7 3 3 o 1 少( o o ) - - 9 , 0 0 0 3 8 6 9 通過上述仿真比較和分析，可以看出，在其他情況相同網(wǎng)絡時延不同時， 系統(tǒng)控制性能也不同，隨著網(wǎng)絡時延的加大，系統(tǒng)的各項控制性能指標都隨之 變差，當網(wǎng)絡時延大到某一值時系統(tǒng)會處于完全失控狀態(tài)。由此可見，時延對 控制系統(tǒng)的性能影響巨大，在其他因素不改變的情況下，一個控制性能良好的 系統(tǒng)會隨著時延的加大，變成完全失控狀態(tài)。然而，一個有良好控制性能的時 延的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，應該是在一定的網(wǎng)絡時延內(nèi)，系統(tǒng)的控制性能隨著網(wǎng)絡時 延的加大，控制指標變化不大，且在要求范圍內(nèi)，因此這要求系統(tǒng)的控制策略 對網(wǎng)絡時延具有較好的容忍性，在一定的時延范圍內(nèi)，系統(tǒng)并不隨著時延的加 大，性能發(fā)生較大的波動。所以在第三章中將主要針對時延補償策略進行深入 的研究。 武漢理工大學碩士學位論文 2 4 本章小節(jié) 本章首先對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延的組成進行了詳細的分析，列出了帶有時延 的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；接著，對在時鐘不同步時，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中時延 的計算公式進行了推導；然后，通過一個具體的控制系統(tǒng)模型，說明了時延對 網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制性能的影響。仿真結(jié)果表明：在時延逐步加大的過程中，控 制系統(tǒng)會出現(xiàn)三種狀況：( 1 ) 系統(tǒng)可控且系統(tǒng)快速穩(wěn)定，且各項指標都在系統(tǒng) 可承受范圍內(nèi)；( 2 ) 系統(tǒng)可控，但穩(wěn)定時間長；( 3 ) 系統(tǒng)不可控。很顯然，只 有第一種狀況才符合控制系統(tǒng)標準，才具有價值。然而，對于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)， 網(wǎng)絡時延是隨機的，當網(wǎng)絡時延較小時，系統(tǒng)可能會達到控制要求，但當時延 在某一隨機時刻變大時，系統(tǒng)就會變得不穩(wěn)定。因此，時延補償是網(wǎng)絡控制系 統(tǒng)中必須解決的問題。 1 2 武漢理工大學碩士學位論文 第3 章基于預測控制算法的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時延補償 在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡時延的客觀存在，且無法消除，以致k 時刻被 控對象的狀態(tài)信息需要一定的時間笮，從傳感器或其它數(shù)據(jù)采集器反饋給控制 器，這樣即使忽略控制器的計算時間，執(zhí)行器也要在七+ f f + f 尸時刻獲得控制器 的控制信號，很明顯，執(zhí)行器本該在k 時刻就對被控對象作出的決策卻滯后了 移+ 斧時段，而此時被控對象已處在另一個工作狀態(tài)，傳輸過去的決策已失去 了一定的時效性。因此，需要一種新的控制方法能夠在t 時刻準確預測到t + l 時 刻被控對象的狀態(tài)，在t 時刻控制器給出t + 1 時刻的控制信號，經(jīng)過時延之后正 好在t + 1 時刻到達，以此達到實時控制的效果?；诖怂枷耄壳耙殉尸F(xiàn)一系列 的時延補償措施嘲，而預測控制算法也由此產(chǎn)生，下文中將對此算法在網(wǎng)絡控 制系統(tǒng)中的應用作進一步研究。 3 1 網(wǎng)絡時延常用的補償策略 時延的存在，使傳統(tǒng)的控制算法不能直接移植到網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，而必須 考慮網(wǎng)絡時延的影響。隨著網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的發(fā)展與應用，越來越多的研究者對 時延補償算法進行了深入研究，提出了眾多時延補償算法。常用的控制算法有： ( 1 ) 狀態(tài)增廣方法 因為其較強的適應性，狀態(tài)增廣方法1 在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中被廣泛的采用， 通常將此方法與其他的控制策略相結(jié)合對控制系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。狀態(tài)增廣方 法的基本思想是將原有的系統(tǒng)狀態(tài)方程與帶有時延信息的增廣狀態(tài)整合，達到 消除網(wǎng)絡時延的目的。此方法可以從一定程度上減小時延對網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的影 響，但由于增廣狀態(tài)空間模型具有隨機性，使得設計時缺乏通用標準。 ( 2 ) 隊列算法 隊列機制啪1 是基于這樣一種思想：將控制信號存儲在一個緩沖寄存器中， 該寄存器采用先入先出的方式，常稱之為觀測器，以此觀測器來估計被控對象 的狀態(tài)；另外將上一時刻的測量輸出存放在一個移位寄存器中，該寄存器被稱 為預測器，根據(jù)已有的輸出量利用預測算法計算出預估的控制輸入量。通過這 種方式可以將系統(tǒng)中的隨機時延轉(zhuǎn)化為固定時延，由此可見，在存在隨機時延的 武漢理工大學碩士學位論文 系統(tǒng)中適宜采用此方法，所以在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)隊列機制也是一種常用的方法。 ( 3 ) 模糊邏輯推理算法 在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，模糊控制偽1 是一種先進的適用的控制算法，是一個模 仿人的控制過程。它不需要建立被控對象的精確的控制模型，只要求將現(xiàn)場操 作人員的經(jīng)驗總結(jié)成完整的語言控制規(guī)則。模糊控制具有實時性好、超調(diào)量小、 穩(wěn)態(tài)誤差小以及抗干擾能力和適應能力強等優(yōu)點跚1 。模糊控制適用于被控對象 不確定、不精確尤其是非線性、時變、滯后的系統(tǒng)的控制，通常將該方法和經(jīng) 典的p i d 控制算法相結(jié)合，用來實時調(diào)整p i d 的控制參數(shù)陽。然而對于某些復 雜的工業(yè)過程，當難以總結(jié)出較完善的控制經(jīng)驗時，模糊控制的效果會受到影 響，但是當系統(tǒng)的模糊規(guī)則過多時，必須權衡模糊推理過程的時間和系統(tǒng)的控 制性能，如果系統(tǒng)的控制性能是以時間的消耗為代價，那么此方法在帶有時延 的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中將是不適用的。 ( 4 ) 預測控制算法 預測控制算法是在2 0 世紀8 0 年代由c l a r k e 等人提出，最初提出的是一種 廣義預測控制算法，此算法將自適應與預測控制有機結(jié)合起來，以受控子回歸 積分滑動平均模型為基礎，采用長時段的優(yōu)化性能指標，結(jié)合了預測和自校正 機制，不僅提高了預測控制對不確定性環(huán)境的適應能力，而且增強了自適應控 制的魯棒性口羽。在過程控制和現(xiàn)代的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的p i d 算法的地位 也受到預測控制的挑戰(zhàn)。因此該算法在學術界和控制領域均受到了廣泛的關注 與研究。本文也將對該算法在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的應用進行研究與改進優(yōu)化。 3 2 廣義預測控f l i t j ( g p c ) 算法簡介及優(yōu)缺點 預測控制是一類控制算法的統(tǒng)稱，常用的預測控制算法口3 1 有動態(tài)矩陣控制 ( d m c ) 、預測啟發(fā)式控制( m p h c ) 、廣義預測控制( g p c ) 等。預測控制結(jié)合了 對模型的預測、過程的滾動優(yōu)化以及對反饋的矯正三個環(huán)節(jié)。不同的預測控制 算法在不同的應用中表現(xiàn)形式和控制方法上可能會有所不同，但基本思想和遵 循的這三條原理均相同，它們都是采用工業(yè)生產(chǎn)過程中較易測量的對象，階躍 響應或者脈沖響應等非參數(shù)模型，從中提取一系列采樣時刻的數(shù)值作為描述對 象動態(tài)特性的信息，并據(jù)此預測未來的控制量，從而構(gòu)成預測模型。通過采用 滾動優(yōu)化時預測軌跡盡可能的接近參考軌跡，同時通過不斷的反饋校正辨識和 修正系統(tǒng)模型參數(shù)?？偨Y(jié)分析該算法具有以下幾方面的優(yōu)點： 1 4 武漢理工大學碩士學位論文 1 ) 廣義預測算法基于傳統(tǒng)的參數(shù)模型，其模型參數(shù)少，因此調(diào)整時偏差相 對少； 2 ) 從廣義預測算法的發(fā)展來看，它在保留了自適應控制方法中的最小方差 自校正控制的在線辨識、輸出預測、最小方差控制等優(yōu)點之外，在控制性能和 魯棒性方面也較自適應控制好； 3 ) 能直接處理具有純滯后的過程，具有良好的跟蹤性能和較強的抗干擾能 力； 4 ) 廣義預測控制采用多步預測、實時的滾動優(yōu)化和不斷的反饋矯正等策略， 能更加準確的估計系統(tǒng)模型，因而控制效果更好，更適合于工業(yè)生產(chǎn)過程的控 制。 5 ) 執(zhí)行器和傳感器均采用時間驅(qū)動方式，有效利用時間，從一定程度解決 時間同步問題，并將隨機時延轉(zhuǎn)化為固定時延，有利于系統(tǒng)計算。 盡管廣義預測控制算法擁有大量的優(yōu)點，且在帶有時延的控制系統(tǒng)中被廣 泛的應用，但是在本文系統(tǒng)中并不能將該算法完全移植到本系統(tǒng)中，這主要是 因為該算法在本系統(tǒng)中存在兩個方面的不足： 1 ) 算法計算量過大。這由算法本身決定，由于算法中存在大量的矩陣運算， 導致控制器運算速度慢，會加大系統(tǒng)整體時延，影響控制系統(tǒng)性能。 2 ) 執(zhí)行器采用事件驅(qū)動，卻沒有給出控制量的選擇機制?？刂破饔嬎愠鰜?的是控制序列，在執(zhí)行器端，算法并沒有給出如何選擇序列中的控制量進行控 制，如果控制量選擇不合適，也會影響系統(tǒng)控制性能。 以上兩點不足之處正是本文需要改進的地方，因此后文中將主要針對上述 不足進行改進。 3 3 改進的廣義預測控制算法 上文對廣義預測控制算法進行了簡要的介紹，指出了算法的優(yōu)點，這是本 文選擇該算法作為總體控制策略的原因。同時，本文提出了算法的不足之處， 這是本文在應用中需要