一类带约束大系统的分布式滚动时域控制研究

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大系统是指由若干个子系统耦合成的系统,广泛存在于石油、化工、电力、交通等诸多领域.由于大系统存在着规模庞大、耦合强、约束参数不确定等特征,使得集中式控制无法实施,也使得分散式控制遇到困难.分布式控制结合集中式控制和分散式控制的设计思想可以将复杂大系统的控制任务分解为多个子系统分别进行控制以及能够考虑各个子系统间的耦合作用,在降低控制系统复杂性的同时保证了控制系统的性能,是解决不确定性大系统控制任务的有效策略.滚动时域控制(Receding Horizon Control简称RHC)策略是上世纪七十年代在生产行业控制实践过程中兴盛起来的一种全新的系统控制策略.因为滚动时域控控制策略特有的滚动优化以及反馈校正等基本要素,使其能有效处理带有复杂多约束的大系统控制问题.在系统控制过程中,系统的大部分信息通过网络传输,不可避免的存在约束现象,这种约束在一定程度上能削弱系统的控制性能,进而影响系统的稳定性.本文考虑了一类全局线性平均约束,从离散、连续系统两个角度,探究带有全局线性平均约束大系统的分布式滚动时域控制镇定问题.对于带有复杂多约束的离散时间大规模系统,通过构造线性离散形式的平均约束模型,将约束现象造成的非线性问题彻底转化为线性问题进行研究.首先利用分布式滚动时域控制方法能够在线处理复杂约束系统的特点以及耦合的差分Riccati方程的性质,在一般的目标函数上增加带有常值系数的两个终端加权矩阵,构成滚动时域控制形式的目标函数.通过建立Lyapunov函数,获得了使带有约束的离散时间大系统分布式滚动时域控制镇定的充分必要条件.其次,对于取得的使系统镇定的充分必要条件,从充分性以及必要性的角度给出了详细的证明.最后,通过Pontryagin最大值原理的必要条件导出了两个相互耦合的Riccati等式方程,从而获得了可以令带约束离散时间大系统镇定的显式最优分布式滚动时域控制器.针对带有复杂多约束的连续时间分布式控制系统,通过建立线性连续形式的平均约束模型,利用分布式滚动时域控制方法讨论其镇定问题.根据建立的线性平均约束模型重新分析系统的性能指标并对性能指标增加两个终端加权矩阵项,采用预测控制综合中的Lyapunov稳定性的单调性法,利用分布式滚动时域控制形式的性能指标建立Lyapunov方程,推导出了一组具有两个终端加权矩阵的Lyapunov函数不等式,通过验证发觉这两个Lyapunov函数不等式就是所求的使带有约束连续时间大系统分布式滚动时域控制镇定的充要条件.
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