分数延时的网络控制系统的研究和设计

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网络控制系统使用共享网络代替传统控制系统点对点之间的专线,安装和维护方便、成本低、资源共享等优势显现出来,广泛应用于远程医疗、远程教学、航空航天等领域。然而,由于网络的介入,数据在网络中传输,延时和丢包等是不可避免的。延时和丢包会降低网络控制系统的控制性能,严重的会导致系统失稳,并使传统控制理论不再适用于网络控制系统。必须针对网络中的延时、丢包、和数据包错序等特性,设计新的控制策略。网络的延时通常是随机的,表现为采样周期的分数倍——分数延时(fractional delay),本文把分数延时处理为两部分:小于一个采样周期的分数延时,附加一段时间使其成为一个采样周期;大于一个采样周期的分数延时等价于丢包。针对网络延时和丢包,以及数据包错序,提出预测序列控制(Predictive Sequence Control,PSC)策略。利用预测控制的多步预测,滚动优化和反馈校正获取的控制率序列,被传送在前向通道上;为了保证反馈数据的完整性和连续性,传感器同时采样被控对象的输入和输出,组合一定长度的历史输入输出数据和时间戳为反馈序列,被传送在反馈通道上。由于在网络控制系统中,对象模型存在不精确的情况。然而最小二乘支持向量机具有良好逼近能力和泛化能力,可以用来预测模型误差,进而补偿预测模型的误差,并结合PSC策略进行设计。在文章的结尾,理想网络仿真工具箱TrueTime被用来搭建平台。针对网络系统的双向通道同时存在延时、丢包和数据包错序,分别对基于精确模型的PSC和基于最小二乘支持向量机模型误差补偿的PSC进行仿真和验证。仿真表明,即使在丢包率很高的情况下,基于精确模型的PSC也能取得很好的控制性能,基于最小二乘支持向量机模型误差补偿的PSC具有较好的控制性能。
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