第1章绪论
1.1课题研究背景和意义
随着通信技术，控制技术的发展，传统的控制方法由于成本较高，不易扩展，不易维护，可靠性差，而且不能满足人们对异地控制，远程控制的需求。因此，传统的点对点的控制模式已经不能满足工业发展的要求。在远程控制和复杂控制系统的客观需求下，一种新的控制系统一网络控制系统（NCSs)迅速成为了当今控制领域研究的热点之一。1999年，马里兰大学Gregory C. Walsh等[1]的文章中，首次出现“Networked ControlSystem”这一名词，但文中没有给出确切的定义，只是用图型说明了NCSs的结构特征，指出在该系统中，控制器与传感器通过串行通信线路形成闭环。2001年，清华大学的顾红军在[2]—书中给出了NCSs的明确定义，目前国内学者主要沿用书中给出的定义。书中指出，NCSs是指将传感器、控制器、执行器作为网络节点通过网络连接起来，构成闭环反馈控制系统，共同完成对系统的控制。与传统的点对点的控制系统相比，NCSs可以实现资源共享，实现远程操作与控制的要求。把网络引入控制系统中可以减少系统布线，易于安装与维护，易于故障诊断，易于扩展，大大地降低系统成本，可靠性更高。但是由于网络通信带宽，承载能力和服务能力的限制，NCSs中网络的引入也不可避免地带来许多问题。在闭环反馈控制系统中引入通信网络使得传统控制理论中许多理想假设，如同步控制和无时滞的传感器和执行器等都不再适合于NCSs中控制策略的设计，同时由于网络环境自身的限制，还要考虑网络带宽等因素的限制对系统性能的影响。具体来说，要注意以下几个问题的影响。第一，由于控制系统中众多的设备都要发送信息，而网络带宽是有限的，不可避免地出现由于对网络使用权的竞争而导致信号传输滞后。第二，由于网络传输的不可靠性和不稳定性，数据在传输的过程中不可避免地会出现数据包的丢失，而且丢包一般是随机的，虽然很多系统都有重传机制，但是这必将大大影响通信速率。数据包丢失也是造成网络性能不稳定的一个重要因素。第三，由于网络带宽的限制，为了节省网络资源，达到更好的控制效果，系统的控制信号和测量信号要经过量化处理才能传输到下一节点，使得对NCSs的研究变得更加复杂。
这些不利因素的存在，将会降低NCSs的鲁棒性、容错性，而且更严重的，将会导致系统不稳定。因此，在NCSs的分析和设计中，必须综合考虑这些因素，才能适应实际的需要[34]。带宽限制是影响NCSs分析和设计的一个重要因素，是分析NCSs网络时滞，数据丢包等降低NCSs性能等不利因素必不可少的。为了减小它对系统性能的影响，信号在传输之前要进行量化处理，为此，量化器的引入是必不可少的。量化器可以减小通信信道中网络资源的占有率，可以有效地节省网络带宽。因此，量化器的引入具有重要的作用。由于NCSs具有传统控制系统无法比拟的一些优点，使得NCSs的应用范围更加广泛，目前网络控制主要应用于以下几个方面：航空航天、机器人控制、卫星控制、远程控制、交通控制、经济管理以及人口控制等。随着通信技术的发展，特别是物联网技术的发展，将来NCSs将会应用到人民生活的方方面面。因此，对NCSs的研究具有重要的使用价值和社会价值。
1.2网络控制系统的发展历程
20世纪80年代后期与90年代，计算机网络广泛进入自动控制领域。一般而言，这是大型的、复杂的系统，除了实现控制功能外，它往往还具有信息处理、管理、决策等等功能，故统称为网络化系统。第一代将网络化环境与控制功能相结合的系统形式为所谓的分布式控制系统(DCS)。DCS的一般结构概图如图1.1所示。最早的出现DCS系统是Honeywell公司1975年幵发的TDC-2000系统。在DCS系统中，现地工作站、操作员站以及一些其它辅助工作站等功能不同的计算机通过通信网络实现互连，共同分担系统的工作。其中现地工作站主要用于过程控制，操作员站用于操作员监视过程控制的情况，其它辅助工作站主要用于数据记录、系统优化等。20世纪90年代，随着微处理器技术和通信网络技术的快速发展，促成了现场总线控制系统（FCS)的诞生和发展。现场总线控制系统是用开放的现场总线作为通信网络，将作为独立智能节点的现场控制器以及现场智能仪表等设备进行互连和通信，它突破了集散控制系统中釆用专用网络的缺陷，把专用封闭协议变成标准开放协议。同时，它使系统具有完全数字计算和数字通信能力。结构上采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统可靠性和灵活性。FCS与DCS系统比较具有很多优点，它使现场设备之间的通信可采用点对点、点对多点或广播的多种方式；利用统一组态与任务下载，使得如PID、数字滤波、补偿处理等简单的控制任务可动态下载到现场设备；可减少传输线路与硬件设备数量，节省系统安装维护的成本；还增强了不同厂家设备的互操作性和互换性。现场总线控制系统已经是真正意义上的分布式网络化控制系统。现场总线控制系统主要的不足是：各种现场总线尽管都是开放协议，遵循同一种协议的不同厂家产品可以相互兼容，但是，各种协议并没有统一，不同总线协议的系统不易互连。而且，现场总线通讯协议与上层管理信息系统或进一步网络化控制系统分析与设计一切换系统处理方法的Internet所广泛采用的TCP/IP协议是不兼容的，也存在协议转换问题。这些增加了控制和管理信息一体化网络的实现难度。
第1章具有时变时滞和多包丢失的NCSs量化控制
2.1引言
NCSs中，信号处理和传播过程，通过一个繁忙的信道传送数据包，由于通信信道比特率的限制，往往会产生信号传输时滞，而且由于网络外部环境的不确定性，这种时滞往往是时变的。因此，国内外学者围绕着如何建立更精确的数学模型，来得到更切合实际的使得被控系统稳定的时滞相关稳定判据进行了大量的研究。数据包在传输的过程中，由于网络通信能力的限制，不可避免地会出现错误或者丢失，虽然很多NCSs采用自动重传机制，但是丢包现象还是不可避免，而且重传会严重影响数据的传输速率。如果一个数据包到达下一个通信节点的时间晚于下一个数据包，这时候，很自然地会采用最新的数据包来传输，丢弃旧的数据包，也会产生丢包现象。为了节省有限的网络带宽和资源，可不避免地要对信号进行量化处理，量化器的引入会出现量化误差，因此，对引入量化器的NCSs的稳定性分析和控制策略的设计也具有重要意义。基于以上分析，本章将研究具有时变时滞和多包丢失的NCSs量化/4控制问题，利用满足Bernoulli随机分布的白噪声序列来描述传感器-控制器及控制器-执行器数据包丢失现象。利用对数量化器来量化测量输出信号及控制输入信号，量化误差描述为扇区有界不确定性。利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)方法，得到了使得闭环NCSs满足一定性能指标的均方意义下指数稳定充分条件，并给出了基于观测器的时滞相关控制器设计方法。
第3章 控制系统硬件设计........... 33-45
3.1 控制系统要求及方案的选择 ..........33-35
3.1.1 控制系统主要技术要求.......... 33-34
3.1.2 控制器的方案选择.......... 34
3.1.3 关节驱动器的选择.......... 34-35
3.2 LPC1700系列Cortex-M3处理器.......... 35
3.3 交流伺服电机.......... 35-38
3.4 控制系统硬件方案设.......... 38-44
3.4.1 直流电压源电路设计.......... 39-40
3.4.2 Cortex-M3最小系统模块电路 ..........40-41
3.4.3 工业机器人示教系统电路设计.......... 41-42
3.4.4 伺服电机驱动系统.......... 42-43
3.4.5 CAN总线接口.......... 43-44
3.5 本章小结 ..........44-45
第4章 控制系统软件设计.......... 45-50
4.1 示教模块软件设计.......... 45-47
4.2 控制模块软件设计.......... 47-49
4.3 CAN总线接收和发送模块软件设计.......... 49-50
第5章 基于模糊补偿的机械臂.......... 50-57
5.1 概述.......... 50-51
5.1.1 模糊控制.......... 50-51
5.1.2 自适应模糊控制.......... 51
5.2 自适应模糊控制应用于机械手的模糊补偿.......... 51-55
5.3 基于摩擦、外加干扰和负载变化.......... 55-57
结论
随着计算机网络通信和智能传感技术的飞速发展，基于网络的分布式控制成为了国内外计算机控制领域的一个研究热点。NCSs通过数据网络甚至无线网络实现复杂环境下的大系统控制和远程控制，具有传统控制系统无法比拟的优点。但通信网络的引入使得NCSs的分析和设计变得异常复杂。NCSs中，由于通信网络中，通信节点共享网络资源，而受到网络通信能力的限制，不可避免地会导致网络时滞和数据包丢失，同时为了节省网络资源和网络带宽，需要对通信信号进行量化处理。在实际工业生产中，受到外部复杂环境的影响，控制系统往往具有非线性，随机性等复杂特性。同时传输节点在传输的过程中往往会出现故障的情况。结合NCSs自身的特点，使得对NCSs的分析和综合，引起了国内外学者极大的关注，也取得了较大的研究成果。
本文研究了存在通信时滞，数据包丢失等复杂情况下，NCSs的量化控制问题。利用满足Bernoulli随机分布的白噪声序列来描述系统通信时滞或者数据包丢失现象，利用对数量化器对通信信号进行量化处理。主要研究了系统稳定并且满足一定性能指标的充分条件及控制策略的设计方法。本文主要从以下几个方面进行研究：研究了具有时变时滞与多数据包丢失的NCSs的量化控制问题。同时考虑传感器-控制器间的测量通道及控制器-执行器间的控制通道的多数据包丢失，并将其用满足Bernoulli分布的随机变量来表不。控制输入信号和测量输出信号分别在传感器和控制器两侧进行对数量化，量化误差描述为扇区有界不确定性。利用Lyapuncw理论和线性矩阵不等式(LMI)方法，得到了使得闭环NCSs满足一定兄性能指标的均方意义下指数稳定充分条件，并给出了基于观测器的时滞相关控制器设计方法。研究一类受信号量化、扇区有界非线性、伊藤随机扰动以及随机时滞影响的NCSs的基于观测器的控制器设计问题。利用满足Bernoulli随机分布的白噪声序列来描述传感器-控制器及控制器-执行器时滞，利用对数量化器，控制输入和测量输出信号分别在传感器和控制器两侧进行量化。利用Lyapimov稳定性理论和线性矩阵不等式方法，给出了使得系统均方意义下指数稳定并满足性能指标的充分条件。采用锥补线性化算法(CCL)给出了控制器设计方法。研究一类受信号量化、离散和分布式时滞以及测量丢失影响下的离散NCSs的滤波器设计问题。禾ij用满足Bernoulli分布的二进制随机变量来描述测量丢失，利用对数量化器量化测量输出信号。对于具有混合时滞以及不可靠通信通道的NCSs，给出了使得滤波误差系统均方意义下随机稳定并具有给定的性能指标的滤波器存在的充分条件。
参考文献
[1] Gregory C.Walsh，Hong Ye and Linda Bushnell. Stability analysis of networked controlsystems, in Proc. Amer. Control Conf., San Diego, CA, June 1999, pp. 2876-2880.
[2]顾红军.网络控制系统建模及系统分析方法的研究：[博士学位论文].北京：清华大学，2001.
[3]严怀成.网络控制系统的分析与综合：[博士学位论文].武汉：华中科技大学,2007.
[4]田恩刚.网络控制系统的稳定性分析及量化控制研究：[博士学位论文].上海：东华大学,2008.
[5] James L, Gao H J，Wang C H. Stability analysis for continuous systems with two additivetime-varying delay components. Systems & Control Letters, 2007, 56(1):16-24.
[6] Marieke B. G. Cloosterman, Nathan van de Wouw, W. P. M. H. Heemels, and HendrikNijmeijer. Stability of Networked Control Systems with Uncertain Time-Varying Delays.IEEE Transaction on Automatic Control, 2009, 54(7):1575-1580.
[7] Luan X L, Shi P and Liu F. Stabilization of Networked Control Systems with RandomDelays. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(9):4323-4330.
[8] Shi Y, Yu B. Output Feedback Stabilization of Networked Control Systems With RandomDelays Modeled by Markov Chains. IEEE transaction on Automatic Control, 2009，54(7):1668-1674.
[9] Wang Z D, Yang F W, Daniel W.C.Ho and Liu X H. Robust Control for NetworkedSystems with Packet Losses. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-PartB: Cybernetics, 2007，37(4):916-924.
[10]Niu Y G, Jia T G, Wang X Y and Yang F W. Output-feedback control design for NCSssubject to quantization and dropout. Information Sciences, 2009，179: 3804-3813.