随着网络技术以及控制理论的发展,网络化控制系统(Networked Control Systems,NCSs)在工业中的应用日趋广泛。然而,随着网络化控制系统的复杂化以及通信网络的介入,在其工作中也引入了新的问题,如多通道传输、网络干扰、网络通信协议以...
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随着网络技术以及控制理论的发展,网络化控制系统(Networked Control Systems,NCSs)在工业中的应用日趋广泛。然而,随着网络化控制系统的复杂化以及通信网络的介入,在其工作中也引入了新的问题,如多通道传输、网络干扰、网络通信协议以及网络安全等问题。这些问题都将影响到网络化系统控制的有效稳定性。针对以上问题,本文基于滑模控制算法(Sliding Mode Control,SMC)结合先进理论,通过设计观测器及控制器对网络化控制系统(以电机平台为例)的速度进行跟踪控制,并通过数字仿真和实验平台进行验证。本文的主要研究内容分为以下三大部分:针对现有网络化远程控制系统中存在多个通道和外部干扰的直流电机系统速度跟踪控制的不足,提出了一种二阶超螺旋滑模控制(Second-order Super Twisting Sliding Mode Control,SSTSMC)方法。首先,对具有多个通道和外部干扰的直流电机系统进行分析建模。对于多个通道的选取规则,根据随机通信协议(Stochastic Communication Protocol,SCP)进行随机选择。接着根据超螺旋算法(Super Twisting Algorithm,STA)设计得到超螺旋观测器(Super Twisting Observer,STO),用于估计系统状态。在此基础上设计基于超螺旋观测器的二阶超螺旋滑模控制算法来跟踪直流电机的速度。在控制器控制项的设计中,通过构造非线性项以便在通道之间切换时抑制外部干扰和抖动。并通过分析证明该控制方法的有效性;最后,通过仿真和实验证明该方法相比于传统滑模具有更好的控制效果。针对网络化控制中具有外部干扰和拒绝服务(Denial of Service,DoS)攻击的多传感器伺服系统的速度跟踪控制问题,首先对其进行分析建模,接着提出了一种基于滑模算法的观测器,用于观测和估计外部干扰。其次,为了在网络传输中的多个传感器中选取数据进行传输,使用了基于权重的一次丢弃(Try Once Discard,TOD)协议进行分析,通过分析选取误差最大项进行优先传输更新。然后,分析了网络控制中的DoS攻击问题,通过观测器设计基于趋近律的滑模控制算法,并从滑模运动的有限时间收敛性对该控制方法的有效性进行分析;最后,通过仿真和实物平台的实验验证来说明该方法的有效性。针对网络化控制中具有外部干扰和虚假数据注入(False Data Injection,FDI)攻击的网络化控制系统的速度跟踪问题。首先对其进行建模分析,接着提出了一种基于离散滑模函数和神经网络的扩展状态观测器(Discrete-time Sliding Mode and Neutral Network Extended State Observer,DSMNNESO),以观察扩展状态并抑制外部干扰和FDI攻击的影响。在此基础上设计一种将离散终端滑模控制与超螺旋算法相结合的新型混合离散滑模控制(Hybrid Discrete-time Sliding Mode Control,HDTSMC)策略,通过引入非线性项和指数项来抑制抖动问题,并证明了滑动运动的收敛性和可达性。最后,通过仿真和实验证明了所提方法的有效性和可行性。
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