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上海交通大学
博士学位论文
网络控制系统在线时延估计及其控制的综合研究
姓名:魏震
申请学位级别:博士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:谢剑英
20021001
网络控制系统在线时延估计及其控制的综合研究

摘要

网络控制系统 NCS 是传统控制技术与信息技术结合的产物它在各控制领域中已经得到
广泛的应用在 NCS 中控制系统数据均通过网络来传输这样势必产生网络时延典型的 NCS
网络时延具有在较大数值范围内变化的特点这给在设计 NCS 控制方案中考虑这些时延因素带
来困难如果控制器设计对于网络时延处理不当被控系统甚至会出现由于时延而产生不稳定的
情况因此作为目前一个新的控制领域和通讯领域交叉的研究方向 NCS 研究工作都是围绕着
网络时延问题展开的
本文以网络技术和控制技术的融合为基本思想出发点来探讨 NCS 中的时延问题文中以
在线时延估计 Online Delay Evaluation 作为 NCS 中控制和通讯两者的结合点对控制器而言
如果它能够精确获得 NCS 任何时刻的网络时延那么系统就可以被看作为时延一定的系统在
这种情况下 NCS 中时延的时变性对控制器设计带来的困难就可以避免
具体而言本文创新性的研究工作概括为以下五个方面
1 针对一类特殊的 NCS ──网络半回路控制系统 NHLS 通过运用主从式时钟同步
的方法在线获得控制回路中传感器与控制器之间的时延值在此基础上运用基于网络时延最
优控制来对系统实施控制实验验证了此控制方案的可行性和有效性但是另一方面实验结果
也显示了时钟同步误差对系统的控制品质带来的不利影响因此为了提高时钟同步的精度提出
改进主从式时钟同步方法
2 在对 NHLS 分析的基础上探讨一般 NCS 中在线时延估计问题在假设网络中不存在
同步时钟的条件下提出基本时延窗口 Delay Window DW 方法来对网络时延进行在在线的
估计在硬件独立的前提条件下探讨从传感器与控制器间估计时延来获得控制器与执行器之间
时延情况在基于时延最优控制策略情况下实验显示整个估计策略有其有效的一面但是控制
器与执行器间时延的估计仍然存在较大的误差这也给控制器的设计带来很大的困难
I
3 为了克服基本 DW 方法对于控制器与执行器间时延估计误差过大的问题改进时延估
计策略在硬件独立的要求放松的前提条件下提出两种具体的估计方法即改进时延平均方法
和具有智能因素的最近匹配法实验结果验证上述改进方法的有效性尤其是最近匹配法在周
期性网络数据任务的情况下它得到的时延估计值与真实的时延情况相当接近
4 提出基于时延最优控制 Optimal Control Based On Delays 策略如果在线估计的时
延值与真实时延值之间达到相当精度的条件下运用这种控制策略一定可以达到满意的控制效果
的事实上在线估计的时延值与真实时延值之间存在误差并且这样的误差将影响系统的控制
品质因此还对时延估计方法的误差以及控制器参数的设计等问题进行相应的分析文中给出一
系列的定理及推论这些结论为基于时延最优控制器对于 NCS 的稳定性判定提供了依据基于
时延最优控制在上述的 NHLS 和一般 NCS 的讨论中都被应用于控制器的设计
5 设计并实现一个基于 CAN 总线的软硬件结合的实验系统使得在线时延估计方法及
控制策略都能够得到验证而且通过这个实验系统可以发现 NCS 研究中新的问题以及提出
符合实际情况的解决方法这一点与 NCS 作为和实际应用紧密结合的研究方向的特点是一致的
因此通过真实的 NCS 网络实验系统验证的研究结果使得本文在应用层面上的意义得到了很大的
提高


关键词网络控制系统在线时延估计基于时延最优控制时延平均法最近匹配法网络
半回路控制系统主从式时钟同步 CAN 总线






II
The Synthetic Research on Online Delay Evaluation and Control
worked Control Systems

Abstract

Networked Control Systems (NCS) is an integrated area of traditional control technology and
information technology, which has been applied widely in various control applications. In NCS, all
data of con