基于滾動時域優(yōu)化策略的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)狀態(tài)估計與控制器設(shè)計.pdf

1、傳統(tǒng)點對點控制模式是將控制對象的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過電纜線集中到中央控制室，由中央處理器計算得到的控制量再通過電纜線下放到現(xiàn)場。隨著通信、計算機和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，這種控制模式已經(jīng)不能滿足不斷提高的控制系統(tǒng)性能要求，并使得控制模式發(fā)生了根本性變化。控制系統(tǒng)是由傳感器、控制器和執(zhí)行器等多個環(huán)節(jié)組成，每個環(huán)節(jié)通過共享網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其它環(huán)節(jié)的信息交換，從而形成網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)。近年來，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為控制理論研究的熱點方向。雖然已取得了不少研究成果

2、，但仍有許多問題尚未解決并對現(xiàn)有的控制方法提出了新的挑戰(zhàn)?？紤]到滾動時域的優(yōu)化策略在狀態(tài)估計與控制器設(shè)計上不同于反饋的策略，這樣帶有丟包、數(shù)據(jù)量化以及通信約束的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的估計與控制問題可以基于滾動時域窗口的性能指標(biāo)進行優(yōu)化求解，進而取得優(yōu)越的系統(tǒng)性能。因此，本文針對丟包、數(shù)據(jù)量化和通信約束，研究了基于滾動時域優(yōu)化策略的狀態(tài)估計與控制器設(shè)計，建立了丟包、量化和通信約束特征參數(shù)與系統(tǒng)參數(shù)和性能之間的關(guān)系。本文主要內(nèi)容有:
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3、)針對隨機丟包過程滿足獨立同分布伯努利序列的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，基于滾動時域優(yōu)化策略，提出了一種能夠充分利用滾動窗口內(nèi)系統(tǒng)輸入輸出信息的滾動時域狀態(tài)估計方法，以克服數(shù)據(jù)包隨機丟失帶給系統(tǒng)的影響。這種估計方法能夠充分利用那些以不等式約束形式出現(xiàn)的關(guān)于狀態(tài)和輸入輸出的額外信息，提高了狀態(tài)估計的準(zhǔn)確性和合理性。與現(xiàn)有的其它估計方法相比，該方法的一個顯著特點在于:如果當(dāng)前數(shù)據(jù)包發(fā)生丟失，滾動窗口內(nèi)的一段最新數(shù)據(jù)而非僅前一個時刻數(shù)據(jù)或當(dāng)前數(shù)據(jù)直接置為零

4、，能夠用于估計器設(shè)計，這樣提高了估計的精度。此外，通過分析估計器的估計性能，以不等式的形式給出了保證估計性能收斂的充分條件。最后，通過仿真示例驗證了所提出的滾動時域估計方法的有效性。
　　 2)針對連續(xù)丟包數(shù)在有界范圍內(nèi)任意變化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出了一種基于滾動時域優(yōu)化策略的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制方法。首先，考慮到數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中是以包的形式進行傳輸?shù)倪@一特性，建立了具有有界丟包過程的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。隨后，基于這個模型，設(shè)計出保證系統(tǒng)漸近穩(wěn)

5、定且具有一定控制性能的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器。不同于其它控制方法，這種預(yù)測控制策略能夠根據(jù)系統(tǒng)未來的動態(tài)行為，預(yù)測出系統(tǒng)未來的控制動作，在數(shù)據(jù)傳輸中實現(xiàn)了整個預(yù)測控制序列打成一個數(shù)據(jù)包進行傳輸而非僅當(dāng)前控制量的傳輸，這樣當(dāng)控制量丟失時能夠利用預(yù)測控制量替代當(dāng)前丟失的控制量，作用于被控對象，從而克服數(shù)據(jù)包丟失帶給系統(tǒng)的影響。最后，通過一個倒立擺系統(tǒng)的仿真示例驗證了所提控制方法的優(yōu)越性。
　　 3)針對控制量經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)從控制器傳輸至執(zhí)行器

6、的過程中而發(fā)生數(shù)據(jù)量化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出了一種基于滾動時域優(yōu)化策略的魯棒預(yù)測控制器設(shè)計方法。首先，考慮到控制器-執(zhí)行器間的通信信道存在數(shù)據(jù)量化，采用對數(shù)形式的量化器來表征這種量化作用并利用扇形有界分析方法，建立了具有控制輸入量化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型。其次，基于所建模型，研究了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的量化穩(wěn)定性問題并將其轉(zhuǎn)化為線性不確定系統(tǒng)的魯棒控制問題，設(shè)計出保證系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的魯棒預(yù)測控制器，并以線性矩陣不等式形式給出了系統(tǒng)可鎮(zhèn)定的充分條件。隨后

7、，在保證網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和具有一定控制性能的基礎(chǔ)上，給出了一種求解最粗糙量化密度的錐補線性化方法。最后，通過仿真示例驗證了所提算法的有效性。
　　 4)考慮到網(wǎng)絡(luò)帶寬受限使得每個采樣時刻只有有限數(shù)目的傳感器能夠通過通信網(wǎng)絡(luò)將部分測量輸出數(shù)據(jù)傳輸至遠程估計器的這種通信情況，提出了一種基于滾動時域優(yōu)化策略的動態(tài)調(diào)度方法，使得估計器在網(wǎng)絡(luò)資源受限的情況下仍具有良好的估計性能。首先，通過定義一種通信序列，將通信約束轉(zhuǎn)化為一個含有邏輯變

8、量0與1的等式約束，從而將一個具有通信約束的線性時不變系統(tǒng)描述為一個帶有等式約束的線性時變系統(tǒng)，并根據(jù)此模型提出了一種基于二次型調(diào)度指標(biāo)的滾動時域調(diào)度方法，其中該二次型調(diào)度指標(biāo)包括通信成本與估計誤差。這種動態(tài)調(diào)度方法通過在線求解一個混合整數(shù)二次規(guī)劃的優(yōu)化問題，實時得到通信狀態(tài)。其次，考慮到具有狀態(tài)約束的被控對象，提出了一種能夠處理這種狀態(tài)約束的滾動時域狀態(tài)估計方法，并給出了估計誤差范數(shù)平方有界的充分條件。最后，通過一個雙容液位系統(tǒng)的物理