基于TCP-IP網(wǎng)絡的延時建模及網(wǎng)絡先進PID控制器研究.pdf

1、由于控制、計算機、通信網(wǎng)絡等技術的進步，導致了現(xiàn)場總線技術的產(chǎn)生，也導致了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的應用。在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，控制回路通過網(wǎng)絡形成閉環(huán)。同時，由于以太網(wǎng)具有易組網(wǎng)、應用廣泛、價格低廉的優(yōu)勢，正在快速地進入工業(yè)自動化領域。而且在企業(yè)信息化和全局優(yōu)化的要求之下，甚至出現(xiàn)了基于Intcrnct的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，往往采用TCP/IP協(xié)議連接，可以統(tǒng)稱為TCP/IP網(wǎng)絡。TCP/IP網(wǎng)絡的延時是隨機的、不確定的，給網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的分析

2、和設計帶來了困難，因此研究基于TCP/IP網(wǎng)絡的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計問題具有重要學術探索價值。 PID控制由于其自身的優(yōu)點，如結構簡單、容易實現(xiàn)、物理概念清晰等，在實踐過程中積累了豐富的參數(shù)整定經(jīng)驗，仍然廣泛應用于工業(yè)控制過程中。探討PID控制器在網(wǎng)絡延時下的參數(shù)整定方法具有重要的現(xiàn)實意義。 于是，本文以一個TCP/IP網(wǎng)絡的實例一與：Internet連通的校園網(wǎng)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)為研究對象，測量并分析校園網(wǎng)網(wǎng)絡延時的特性，建立

3、網(wǎng)絡延時的統(tǒng)計模型，并在此基礎上研究網(wǎng)絡PID控制器的設計方法及補償措施。本文的主要研究成果如下： 首先，在校園網(wǎng)上建立了一個基于應用層的測試平臺。在該平臺上獲得了比較充分的延時實驗數(shù)據(jù)。利用小波分析方法和方差聚類分析方法揭示了與Internet連通的校園網(wǎng)的網(wǎng)絡延時具有自相似特性的規(guī)律。由于校園網(wǎng)絡延時的復雜性，當采用短時段網(wǎng)絡延時序列建立網(wǎng)絡延時分布統(tǒng)計模型時，僅僅采用一個分布模型描述延時是不精確的。為了獲得在一個滑窗中實用

4、的網(wǎng)絡延時統(tǒng)計模型，在多個較簡單的備選分布中通過卡方檢驗確定了兩個擬合度最好的模型，即廣義指數(shù)分布模型及Parcto分布模型。同時，為了克服卡方檢驗精度依賴于樣本長度的問題，也為了能夠在線獲得合適的延時分布模型，提出了采用支持向量機分類器獲得分布模型的思路和方法。 由于TCP/IP協(xié)議具有不會丟包、但可能錯序的特點，在執(zhí)行器節(jié)點及控制器節(jié)點上的設備驅(qū)動方式必須要仔細選擇?？紤]到TCP/IP網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的這些特點，提出了在執(zhí)行器節(jié)

5、點上人為丟棄過期到達數(shù)據(jù)包的算法。 上述分析、測試及建模過程，給出了校園網(wǎng)絡延時特性分析的可靠結果。這些結果克服了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計分析時只能假設網(wǎng)絡特性的不準確做法，為進一步針對其他類型TCP/IP網(wǎng)絡控制的分析設計奠定了實驗分析基礎。 第二，針對線性低階工業(yè)時滯對象，采用簡單的方法推導了參數(shù)化PI控制器的增益穩(wěn)定范圍，并證明了該范圍與時滯的關系。根據(jù)增益范圍和延時統(tǒng)計模型，提出了在不同模型參數(shù)條件下的控制器增益離線優(yōu)化

6、算法。為了保證能夠得到全局最優(yōu)解，尋優(yōu)過程采用了遺傳算法。并在離線尋優(yōu)的基礎上，在線通過實測的網(wǎng)絡延時，由一個滑窗確定當前最合適的分布模型，并利用滑窗估計的模型參數(shù)在線確定最優(yōu)的增益。仿真結果表明了這種方法能夠根據(jù)網(wǎng)絡延時情況自整定參數(shù)化PI控制器增益，從而能夠有效改善網(wǎng)絡環(huán)境下PI控制器的性能。這種方法為已有PI控制器的網(wǎng)絡應用提供了一個在線整定的有效途徑。 第三，通過將網(wǎng)絡延時分解為常數(shù)項和擾動項，建立了網(wǎng)絡延時的數(shù)學模型。

7、將延時的常數(shù)項部分作為對象建模的一部分，從而構造一個廣義的標稱對象。延時的擾動部分作為乘性擾動加入系統(tǒng)。分別采用H-理論和μ分析方法設計魯棒網(wǎng)絡PID控制器。經(jīng)過分析表明，基于一個固定參數(shù)的網(wǎng)絡延時數(shù)學模型設計的魯棒PID控制器不可能滿足所有延時情況下的性能需求，若要滿足不同網(wǎng)絡延時統(tǒng)計特性下的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)性能，網(wǎng)絡延時的數(shù)學模型必須能夠反映當前的統(tǒng)計特性，并由當前的網(wǎng)絡延時數(shù)學模型自整定魯棒PID控制器參數(shù)。分析結果表明：網(wǎng)絡延時的中

8、位數(shù)和均值是最好的模型參數(shù)選取參考。在分析的基礎上，提出了離線設計好所有網(wǎng)絡延時統(tǒng)計特性下的最優(yōu)魯棒網(wǎng)絡PID控制器，并在線根據(jù)實測的網(wǎng)絡延時統(tǒng)計特性(中位數(shù)和均值)確定當前最優(yōu)的魯棒網(wǎng)絡PID控制器參數(shù)的算法。 最后，由于許多工業(yè)過程難以精確建模，考慮到最小二乘支持向量機有比神經(jīng)網(wǎng)絡更好的泛化及學習能力，故采用最小二乘支持向量機對對象建模，這種建模方法不僅適用于線性對象，也能對非線性對象建模。同時，利用廣義預測控制理論推導了一