基于网络通信的倒立摆系统的控制(2)
的通信特点也带来了一些挑战 , 例如信号传输时滞 ， 数据包丢失 , 外部干扰等 ， 这些因
素都导致 NCS 的结构也变得更加复杂 ， 所要求的控制性能也变得更高 ， 因此不断地发
展控制领域就成为了人们迫切的需要。
倒立摆是一种理想的自动控制的实验设备 。 它可以将系统的可控性 、 稳定性和抗
干扰能性等许多抽象的控制概念都直观的表现出来，更利于人们的研究 [1]
。因而研 究
NCS 的环境下倒立摆的控制性能成为了当今的一大热点，由此产生的各项科研成果在
军工领域和机器人技术、航空航天领域、工业生产领域等领域都有了广泛的应用。
1.2 1.2 1.2 1.2 本文的研究内容 本文的研究内容 本文的研究内容 本文的研究内容
(1) 通过对仿真框架的构建、算法的设计与实现，了解系统仿真的一般过程；比
较 状态 反馈控制和 PID 控制算法的控制效果；
(2) 通过调节仿真中的网络参数，了解参数的变化对系统控制性能的影响 ；
(3) 给出基于网络通信的倒立摆系统模型的仿真。本科毕业设计说明书 ( ( ( ( 论文 ) ) ) )
2 2 2 2 网络控制系统 网络控制系统 网络控制系统 网络控制系统
2.1 2.1 2.1 2.1 网络化控制的研究现状 网络化控制的研究现状 网络化控制的研究现状 网络化控制的研究现状
建模与分析是网络化控制系统的重要内容 , 目前的建模方法也较为复杂 , 有连续
系统方法 , 离散系统方法 , 以及混合系统 (ADS) 模型 [2]
。
Walsh G C
[3]
等人提出了连续系统建模方法 , 网络通用配置为 :(1) 控制规则的设计
不用考虑网络存在 ;(2) 假设控制器是忽略控制器采样延时且连续的 ;(3) 网络传输没
有误差及没有误码、错序和丢包等发生 ;(4) 忽略传输时延 ;(5) 没有观测噪声存在 。 对
定常系统的控制器 、 被控对象分别建模 , 然后结合控制器与被控对象的增广状态 , 通过
网络推导误差建立 NCS 模型 。 模型需要在控制器端应用过滤或预测等方法来获取被控
对象的输出估计 , 并且网络在系统建模中作为扰动的存在。从建模的前提假设可以得
出 , 这样的建模方法不能分析网络异常行为如错序及错序处理方法、丢包及允许的最
大丢包率等 。 此外在网络时延较大或采样周期较大的情况下时 , 将网络控制作为连续
对象处理的方法不能适用。
樊卫华 [4]
提出了基于异步动态系统的网络化控制系统的建模方法 , 并针对系统中
存在的丢包情况进行了建模。 Zhangwei 等人 [5]
针对单包传输，多包传输和存在数据包
丢失情况的系统提出了动力学模型 。 多包传输和存在数据包丢失情况的网络化控制系
统的建模方法 , 提出了 网络化控制系统的动力学模型 , 该模型是既包含连续变量又包
含离散变量的混合系统模型 , 对时延小于或大于采样周期的情况分别进行分析。小于
采样周期则采用连续模型离散化的方法 , 可以得到包含时延的系统离散化模型。
在分析已有 NCS 模型的优点和不足的基础上 , 彭晨 [6]
等人针对传统的建模方法仅仅
只能针对一类网络特殊情况进行建模太过细致的问题 , 提出了针对多种网络传输情况
下单包传输的通用模型。其中利用一个常数来约束网络时延与采样周期的分析方法 ,
对调度与控制协作方法的研究具有很大的指导意义。
2.2 2.2 2.2 2.2 倒立摆稳定控制研究现状 倒立摆稳定控制研究现状 倒立摆稳定控制研究现状 倒立摆稳定控制研究现状
倒立摆系统的研究可以追溯到 20 世纪 50 年代 ， 当时主要是研究在直线倒立摆系