时延下比率遥操作系统稳定性与性能折衷策略.doc

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４７４ 东南大学学报（自然科学版） ８ ６ ４ 第３５卷 性与性能折衷的控制策略．该策略通过调节主从系 统阻抗和变阻尼来实现系统稳定并增强性能，并且 ． 鲁 蜜蔓 一４ 允许操作者和环境是非线性和时变的，只要他 （它）们是无源的．莱威林准则虽仍偏保守，但可给 ０．８ ｛ ｊｌ｝ｌｊ 瑙 ：：； ０．２ Ｏ 一０．２ 慨。 气 ｔ／ｓ （ａ）时延（ｒ＝Ｏ．１５５ ｓ）下主、从手位置响应 出调节参数的上界．仿真结果表明了此策略的有效 性． ‘瓦（ｔ一０．１５５）一５．７７工。（ｔ）‘ 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］Ｍａｒｅｓｃａｕｘ Ｊ，ｋｒｏｙ ｂｏｔ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｊ，Ｒｕｂｉｎｏ Ｆ．ＴｒａＩｌｓｃｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ ｍ・ ｔ／８ ｒｅｍｏｔｅ ｔｅｌｅｓｕｒｇｅｒ），：ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ （ｂ）时延（ｒ＝０．１５５ ８）下位置比率跟踪误差 ‘ 印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ａ，ｌ，ｌａ红Ｄ，勋ｒｇＰ删，２００２，２３５（４）：４８７ —４９２． 图５新的从手对主手的滞后位置比率跟踪及其误差 ［２］Ｍａｒｅｓｃ跚ｘ Ｊ，Ｒｕｂｉｎｎｏ Ｆ．Ｉ沁ｍｏｔｅ ｓｕ唱ｅｒｙ：ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｐｒ０扫ｋ榭ｆ，ｌ＆ｎＰｒ口ｚ ｓ“ｒｇＰ∥，２００３，２０（２）： ７３—７８． Ｚ ＼ 穴 ［３］Ｍｉｔｓｕｉｓｈｉ Ｍ，Ｔｂｍｉｓａｋ ｓ，Ｙｏｓｈｉｄｏｍｅ ｃｒｏ—ｓｕ唱ｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｍ ｉｎｔｅｕｉｇｅｎｔ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｌｅ—ｍｉ－ ｕｓｅｆ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ａ］． ｎｎｄ Ａｕｔｏｍｎｎｏｎ ｈ：Ｐｍｃ硝ｌＥＥＥ ｔ／８ Ｉｎｔ Ｃｏ对ｏｎ Ｒ曲ｏｔｉｃｓ （ａ）时延（ｒ＝Ｏ．１５５ ８）下主、从手位置响应 ［Ｃ］．ｓａＩｌ ［４］Ｌａｗｒｅｎｃｅ Ｆｒａｎｃｉｓｃｏ，２０００．１６０７一１６１４． Ｄ Ａ．Ｓ诅ｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ廿ａ１１ｓｐａｒｅｎｃｙ ｉｎ ｂｉｌａｔｅｒａｌ ｔｅ— ｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ｚ臣２ＥＥ丁’ｗ，ｌｓ Ｄｎ尺。易Ｄｆｆｃ５口ｎｄ Ａ“ｆＤｍｄ一 砌聆，１９９３，９（５）：６２４—６３７． ［５］Ｌｅｕｎｇ ｔ／８ Ｇ Ｍ Ｈ，Ｆｒ锄ｃｉｓ Ｂ Ａ，Ａｐｋａｆｉａｎ Ｊ．Ｂｉｌａｔｅｒａｌ ｃｏｎ－ ｔｍｌｌｅｒ锄ｄ ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｏｒｓ ｗｉｍ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ Ｖｉａ肛－ｓｙｎｍｅｓｉｓ （ｂ）时延（ｒ＝Ｏ．１５５ ｓ）下位置比率跟踪误差 ［Ｊ］．＾聊丁，ｎ，ｌｓ １１（１）：１０５一１０６． Ｄ，ｌ Ｒｏ幻矗ｃｓ以，ｌｄ Ａ“ｆＤ，，ｌ口ｆ面，ｚ，１９９５， 图６新的主手对从手的滞后力比率跟踪及其误差 ［６］ ｃｏｌｇａｔｅ Ｊ Ｅ． Ｒｏｂｕｓｔ ｉＩｎｐｅｄａｎｃｅ ０ｎ ｓｈａｐｉｎｇ ｔｅｌｅｍａｎｉｐｕｌ一 越ｏｎｌ】］．１ＥＥＥ Ｔｍｎｓ ∞ ∞ ＼籁帐嘲盛 —Ｉ＿Ⅷ．，ｚｖ ∞Ｏ ０ ２ ４ ６ ８ ｌＯ ｔ／ｓ １２ １４ １６ １８ ２０ Ｒｏｂｏｆｉｃｓ ｎ硼ＡＭｌｏｍｎｔｉｏｎ， ｗｉｍ １９９３，９（４）：３７４—３８４． ［７］Ａｄ锄ｓ ｖｉｒｔｕａｌ Ｒ Ｊ，Ｈａｎｎａｆｂｒｄ Ｂ．ｓｔａｂｋ ｈ印ｔｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ『Ｊ］． ，ＥＥＥ丁’．口，ｌｓ Ｄｎ尺Ｄ幻ｆ把ｓ日蒯 Ａ“幻ｍ醐ｆＤ，ｌ，１９９９，１５（３）：４６５—４７４． ［８］陈惠开（美），吴新余，吴叔美．现代网络分析［Ｍ］． 北京：人民邮电出版社，１９９２．４６３—６２９． （ａ）变阻尼系数 Ｏ．ｉ５ Ｏ．１０ ０．０５ Ｏ 一叩ｓ．目一＼ 峨一 战 语 ； ； ［９］王爱民．力觉临场感的应用基础研究［Ｄ］．南京：东 南大学仪器科学与工程系，２００１． ［１０］刘少强．用于微创外科手术的力觉临场感比率遥控 机器人理论及实验研究［Ｄ］．南京：东南大学仪器科 学与工程系，２００２． ［１１］ＨｏｇａＩｌ Ｎ．ｃｏｎ廿ｏｌｌｉｎｇ ｉｒｒ班ｄ锄ｃｅ ａｔⅡｌｅ ｍａｎ／ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ［Ａ］．Ｉｎ：ＰｒＤｃ Ｄ，，ＥＥＥ伽ｆ ｃＤⅣ伽ＲＤ６０ｆｆ∞ ４蒯Ａ摊，册船砌聆［ｃ］． ５ ｓｃｏｃｔｓｄａｌｅ Ａｚ，１９８９． １６２６— 结 １６３１． ［１２］Ｎｉ Ｌ，ｗ龃ｇ ｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ａ Ｄａｖｉｄ ｗ Ｌ．ｃｏｎｔａｃｔⅡ彻ｓｉｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｙｓｔｅｍ［Ａ］． ａ－ 针对用于远程手术等任务的比率遥操作系统， 本文引入二端口网络绝对稳定性准则，从实现理想 性能出发提出了时延下实现比率遥操作系统稳定 ｂｉｌａｔｅｒａｌ ｔｅｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｈｎ Ｉｎ： Ｐｍｃ对ｌＥＥＥ Ｃｏｎｊ傩Ｒ０ｂｍｉｃｓ ａｎｄ Ａ以ｏｍｍｔｏｎ ［ｃ］．ｗａｓＩｌｉｎｇｔｏｎ，ＤＣ，２００２．３２７２—３２７７． 万 　 方数据
开关电源系统稳定性设计分析
稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的，如果没有足够的相位裕度和幅值裕度，电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。
下面先介绍了控制环路分析里面必须用到的各种零，极点的幅频和相频特性；然后对最常用的反馈调整器TL431的零，极点特性进行分析；TOPSWITCH是市场上广泛应用的反激式电源的智能芯片，它的控制方式是比较复杂的电压型控制，为了方便一般使用者，内部集成了一部分补偿功能，所以很多工程师不清晰它的整个环路，最后运用上面的理论分析一个TOPSWITCH设计的电源，对它的环路的每一个部分进行了解剖，可以使工程师更好地应用TOPSWITCH及解决设计中遇到的环路问题。
波特图是分析开关电源控制环路的一个有力工具，它可以使复杂的幅频和相频响应的计算变成简单的加减法，特别是使用渐近线近似以后，只需要计算渐近线改变方向点的值。

增益按-20dB/10倍频程下降, 相位近似按-45°/10倍频程下降。最大相移为-90°

增益按20dB/10倍频程上升,相位近似按45°/10倍频程上升，最大总相移为90°

右半平面零点是反激和BOOST电路里面特有的现象。增益按20dB/10倍频程上升，相位近似按-45°/10倍频程下降，总相移为-90°,右半平面零点是几乎无法补偿的，做设计时尽量把其频率提升或降低带宽。

Q值是电路的品质因数，过了谐振点后，增益按－40dB/10倍频程下降, 相位依Q值的不同有不同的变化率，Q值越大，相位变化越剧烈，在谐振点相位是-90°, 最大总相移为-180°

Q值是电路的品质因数 ，R2是负载电阻，R1是电感的电阻，电容的ESR, 整流管内阻，和代表磁心损耗和漏感损耗的合成电阻。大部分的AC/DC电源，由于损耗较高，一般Q值很难大于3. 当Q值较低时(Q<<0.5)，双极点响应会退化为两个单极点响应，如上图所示。
TL431用输出供电时的零，极点特性

TL431是开关电源次级反馈最常用的基准和误差放大器件，其供电方式不同对它的传递函数有很大的影响，而以前的分析资料常常忽略这一点。下面分析常见的供电和输出反馈接在一起时的传递函数。

从上面的公式可以看到，在输出直接给431供电的情况下，零点的位置在， 即使没有R，只接一个C的情况下，零点还是存在，如果R1远大于R，零点的位置主要有反馈网络的上分压电阻决定。为了抑制输出的开关纹波，有时在后面加一个LC滤波，如下面TOP245Y电源的L2,C8，其谐振频率一般大约为开关频率的 1/10－1/20 左右，这个频率通常远大于反馈回路的带宽，其影响可以忽略.
下面我们将用上面的基础知识来分析一个典型的TOPSWITH电源的控制环路，这是一个宽范围输入，12V/2.5A输出的一个反激电源，原理图如下：

下面为反激电压方式的反馈环路图：

其开环传递函数为 K=(Kmod * Kpwr * Klc *Kfb)*Kea=K1*Kea
Kpwr是功率部分，Klc是输出LC滤波部分，Kfb是反馈分压部分，Kea是反馈补偿部分和光耦部分，Kmod是调制器部分，在做补偿设计以前，先计算出除Kea外各自部分的频率特性，然后计算出K1= Kmod * Kpwr * Klc *Kfb的频率特性，根据实际情况确定出需要的设计目标 Kea , 然后通过设计TL431的相应补偿来完成Kea的要求。
结合上面的原理图我们来计算在115VAC输入时各个部分的数值。
已知数值：Vin=135V, Vout=12V, C6,C7 ESR=50mΩ, 负载R=4.8Ω， η＝81％
由[2]可知：Np=58T, Ns=6T, Lp=827uH, Vor=120V,Vds=5.2V

Vor是次级反射到初级的电压，Lp为初级绕组电感，Ls为次级绕组电感，D为占空比。

功率部分和输出LC滤波部分小信号传递函数[3]

fz2是右半平面零点的频率，此频率随负载R，电感Ls,和占空比D而变化，在此设计中频率是48k,高压时频率更高，AC/DC反激的带宽通常只有几k,远小于此频率的1/4,不会对控制带宽设计产生影响。

Q值的确定，在开关电源里面要经过试验来确定。由于次级绕组的损耗，漏感的损耗，电容ESR的损耗及整流管内阻的损耗等，一般AC/DC电源，Q值相当低，在此电源中约0.15 , 由于 Q＝0.15<< 0.5, LC 振荡转变为两个双极点：
ωP1= Q*ωO=0.15*4920=738; fo1= ωP1 /(2π)=117Hz
ωP2= ωO/Q=4920/0.15=32800; fo2= ωP2/(2π)=5.22kHz
把上述各个值带入公式(1)得到

Kmod部分小信号传递函数
Kmod是PWM部分的传递函数，TOPSWITCH是个高度集成的功率芯片，除了传统的PWM比较器外，芯片还外接启动用的电容和电阻，其必然对环路有影响，另外内部集成了一个7K的极点。Kmod，即TOPSWITCH部分的传递函数为：

DCreg是PWM部分的直流增益，由[4]查出典型值是230，ωTOPSWITCH是7K。下面来确定ωz和ωp。右图是C脚的等效图，C为外接启动电容，在原理图上是C3, R为外接电阻R5和电容C3内阻(2欧姆)之和，Zc为C脚动态内阻，由[4]查处为15欧姆，C4做抗干扰用，由于值很小，在几KHz的有效带宽内不足以对环路造成影响。C脚总阻抗为:

除补偿部分外的小信号传递函数K1:
在此设计中，由于上分压电阻直接接到431基准端，所以Kfb=1

如果要设计补偿部分，可以先确定目标带宽，然后再设计补偿部分，使在目标带宽时的相位裕量大于45°,在用TOPSWITCH设计的反激电源中，目标带宽除受到一般反激电源的几个限制外（带宽要小于开关频率的1/2; 右半平面零点的1/4; 运放增益限制，输出电容类型的选择等）， 还受到内部7KHz极点的限制，一般不能太高，约1-2KHz, 对一般应用来说，已足够了。本文是对一个实际电源的分析，所以略过这一步，如果需要了解这个过程，可以从结果反推出来运放的补偿部分。
TL431部分小信号传递函数:
由于TL431用输出供电，按第3部分所述，其传递函数为：

R6,R9大小决定了增益，由于R9由零点的位置而决定，所以整个增益的大小由调整R6来确定。CTR为光耦PC817C的实测电流传输比。
补偿部分的波特图如下：

从图上看补偿部分只有一个极点和零点，它们和TOPSWITCH里面的7KHz极点共同组成了一个II型补偿网络。7KHz极点用来抵消输出滤波电容零点，衰减噪音和开关纹波的干扰。
总开环响应:
整个环路的开环增益为K1和Kea的乘机，在波特图上是两部分的增益和相位的代数和。

整个环路的开环波特图：

实测波特图：

交越频率1.16KHz, 相位裕量66.5°, 两者基本温和。
总结
介绍了环路的一些基本概念和基本设计方法，分析了TL431在输出供电时的小信号特性，分析了一个具体的TOPSWITCH反激应用的控制环路，同样可以把这些方法来运用到其他拓扑的分析中，在次级用运算放大器做反馈控制时，如果光耦接在运放输出和电源输出之间，TL431的分析方法同样是使用的。
参考文献：
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盐酸川芎嗪注射液与28种药物配伍的稳定性观察
作者:赵树藩, 殷立新, 王淑梅, 孙莉
作者单位:河北医科大学第二医院,石家庄,050000
刊名:

中国新药杂志
英文刊名:CHINESE JOURNAL OF NEW DRUGS
年,卷(期:2002,11(7
被引用次数:23次
参考文献(7条
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分类号 密级
UDC
学 位 论 文
网络控制系统的时延补偿与稳定性研究
作 者 姓 名 :李颖
指 导 教 师 :井元伟 教授
东北大学控制理论与导航技术研究所
申请学位级别:硕士 学 科 类 别 :工学
学科专业名称:导航、制导与控制
论文提交日期:2021年 6月 5日 论文答辩日期:2021年 6月 26日 学位授予日期:答辩委员会主席 :
评 阅 人 :
东 北 大 学
2021年 6月
A Thesis in Navigation Guiding and Control
On Time-delay Compensation and Stability of Networked Control Systems
By Li Ying
Supervisor: Professor Jing Yuanwei
Northeastern University
June 2021
独创性声明
本人声明, 所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。 论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外, 不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名:
日 期:
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘, 允许论文被查阅和借阅。 本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后:
半年 □ 一年 □ 一年半 □ 两年 □
学位论文作者签名:导师签名:
签字日期:签字日期:
东北大学硕士学位论文 摘要 网络控制系统的时延补偿与稳定性研究
摘 要
网络控制系统,简称为 NCS(Networked Control System,是一种通过实时网络 构成的闭环分布式反馈控制系统。其中,控制器、传感器和执行器各节点通过一条 共享的网络来交换信息。 但由于网络的承载能力和通信带宽有限, 造成信息的碰撞、 重传等现象的发生,使得信息在传输过程中不可避免的存在延时。本文主要围绕时 延进行研究,并提出有效的控制方法。
首先,本文介绍了网络控制系统的概念、产生的背景,并在此基础上介绍了网 络控制系统中存在的几个主要问题。然后针对本文所研究的时延问题介绍了时延的 研究现状。
其次, 介绍了网络时延产生的原因, 分析了节点驱动方式的选取对时延的影响。 同时给出各种条件下 NCS 的数学模型,并仿真分析时延对控制系统性能的影响。 在此基础上,针对短时延的网络控制系统,对传统的状态观测器进行改进。利 用状态观测器的预估作用,对传感器到控制器的时延进行补偿,并进行仿真。仿真 结果表明该方法能够有效补偿传感器到控制器的时延,保证了网络控制系统良好的 性能。
针对长时延网络控制系统, 通过稳定性分析, 得出基于 LMI 的状态反馈控制器。 仿真结果表明该方法的有效性。然后研究了同时具有大于一个采样周期的传输时延 及数据包丢失的网络控制系统的稳定性问题,将网络控制系统建模成具有两个事件 速率约束的异步动态系统,利用异步动态系统理论给出了网络控制系统指数稳定的 充分条件,通过求解一组矩阵不等式,可以得出相应的状态反馈控制器。仿真结果 表明了该方法的有效性。
最后,展望了网络控制系统理论的发展前景,并指出了今后的研究方向。 关键词:网络控制系统;网络时延;状态观测器;稳定性;异步动态系统
东北大学硕士学位论文 Abstract On Time-delay Compensation and Stability
of Networked Control Systems
Abstract
Networked control systems (NCS are distributed feedback control systems whose sensors, actuators, and control units are connected through communication networks. However, the information transmitted through the limited bandwidth and weight capability will result in the information collision and retransmission. Time-delays in transmission are unavoidable. This thesis mainly studies the time delays and the effective control methods which are applied to networked control systems with time delays.
First, the concept and research background of networked control systems and the basic problems in networked control systems are presented. Based on the network-induced delay studied in this thesis, the present situation of the network-induced delay is introduced.
Second, based on the causes of the network-induced delay, the influence of different driven means of node points on the network-induced delay is analyzed. Meanwhile the models of NCS under different conditions are presented, and the influence of network-induced delay on the performance of NCS delay is analyzed. Third, for the NCS with short time delay, based on the prediction of improved state observer, the time delay between the sensor and the controller is compensated. The simulation demonstrates that this method can effectively compensate the time delay between the sensor and the controller, and ensure the good performance of networked control systems; for the NCS with long time delay, the design of controller based on LMI is discussed; for the network with transmission delay larger than one sampling period and the data packet dropout, the NCS is modeled as an asynchronous dynamical system and the sufficient condition of exponential stability for the networked control systems is presented based on the theory of asynchronous dynamical system. Meanwhile the state feedback controller can be solved by a set of matrix inequalities. The simulation demonstrates the effectiveness of the proposed method of the proposed method.
Finally, the development of networked control systems theory is forecasted, and research direction in the future is pointed out.
Key words: networked control systems; network delay; state observer; stability; asynchronous dynamical system
目 录
独创性声明 .................................................................................................................... I 摘 要 ........................................................................................................................... II ABSTRACT ................................................................................................................III 第 1章 绪 论 ................................................................................................................1 1.1网络控制系统的简介 .........................................................................................1 1.2网络控制系统的特点 .........................................................................................2 1.3网络控制系统的基本问题 .................................................................................5 1.4网络控制系统的研究现状 .................................................................................7 1.5本文的主要工作 ...............................................................................................12 第 2章 网络控制系统的时延分析 ............................................................................13 2.1网络控制系统性能分析 ...................................................................................13 2.1.1网络控制系统中常用的传输访问控制方式 ............................................13 2.1.2网络控制系统的实时性 ............................................................................14 2.2网络控制系统中的数据类型和数据特性 .......................................................15 2.2.1网络控制系统中的数据类型 ....................................................................15 2.2.2网络控制系统的数据特性 ........................................................................15 2.3网络控制系统时延产生的原因及过程 ...........................................................16 2.3.1网络控制系统中时延产生的原因 ............................................................16 2.3.2网络控制系统中时延产生的过程 ............................................................17 2.3.3网络控制系统中的时延特性 ....................................................................18 2.4不同节点驱动方式对 NCS 的时延的影响 .....................................................19 2.4.1时间驱动方式 ............................................................................................19 2.4.2事件驱动方式 ............................................................................................20 2.4.3不同的驱动方式对时延的影响 ................................................................20 2.5带有时延的网络控制系统的建模 ...................................................................21 2.5.1短时延网络控制系统的建模 ....................................................................22 2.5.2长时延网络控制系统的建模 ....................................................................28 2.6时延对 NCS 性能的影响 .................................................................................30 2.7小结 ...................................................................................................................32 第 3章 基于观测器的 NCS 短时延控制 ..................................................................33 3.1网络控制系统中状态观测器的概述 ...............................................................33
3.1.1状态观测器的应用背景及基本设计思想 ................................................34 3.1.2 全维状态观测器的设计步骤 ....................................................................35 3.2带有时间延迟的网络控制系统模型 ...............................................................36 3.3基于状态观测器的短时延补偿控制 .............