网络环境下的预测控制综合方法研究

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网络控制系统(Networked Control Systems, NCSs)是一种空间分布式控制系统,其控制回路中的传感器、控制器、执行器由有限带宽的通信网络相连接。网络控制系统具有连线简单、易于安装和维护、可靠性高等优点,已在智能交通、航空航天、远程医疗等各个领域得到了广泛的应用。由于通信网络的承载能力和带宽的限制,网络控制系统不可避免地会遇到数据传输时滞、数据丢包、数据量化等问题,这不仅会影响控制性能,而且会造成系统不稳定。因此,解决网络环境下的控制系统的稳定性分析和控制器设计就成为应用网络控制系统必须要面临的实际问题。  预测控制(Model Predictive Control, MPC)因在控制多变量约束系统方面的优势而成为流程工业过程中应用得最多的先进控制方法。为了应对流程工业已进入网络时代的形势,有必要研究网络环境下的预测控制。当前,对网络预测控制的研究甚多,但多数不属于综合方法。这里所谓综合方法是指具有稳定性保证的预测控制,通常建立在优化问题递归可行的基础上。这一领域面临的主要困难有两点:第一,虽然现有的网络控制系统模型很多,但鲜有直接适合于综合方法的;第二,针对非网络环境下的预测控制综合方法所建立的理论体系,直接移植到网络环境下的预测控制时则不再适用。因此,本文以预测控制综合方法为基本方案,围绕网络控制的基本问题,并结合相关稳定性理论,对网络环境下的预测控制综合方法展开了研究。主要贡献如下。  ①具有数据丢包的网络预测控制:针对具有数据丢包的网络控制系统,已有文献给出了带一个自由控制作用的、具有递归可行性保证的预测控制,但不变性条件中采用的是较为复杂的参数依赖Lyapunov函数。为了简化并改进该方法,本文通过采用公共Lyapunov函数得到了控制性能相当且计算量更小的预测控制。  ②具有数据量化的网络预测控制:考虑同时量化状态和控制信号的情况,通过推广文献中的扇形界方法建立了网络控制系统的数学模型。基此,将文献中的两种非网络预测控制综合方法扩展到网络环境。其一,通过将无穷时域控制作用参数化为单个的状态反馈,得到了网络预测控制综合方法。其二,通过将无穷时域控制作用参数化为一个自由控制作用加一个状态反馈,得到了网络预测控制综合方法。  ③同时具有数据丢包和量化的网络预测控制:在已有文献关于双通道数据丢包问题的研究结果基础上,提出了同时描述数据丢包和量化误差的网络控制系统模型。基此,得到了采用状态反馈控制器的闭环系统的稳定性条件,并给出了具有稳定性保证的预测控制器。  ④具有传输时滞的网络预测控制:针对具有单通道最大一步状态时滞的网络控制系统,提出了有限切换时域的网络预测控制综合方法,并从单值开环优化及部分闭环优化的角度讨论了闭环系统的稳定性问题。针对具有单通道有界任意时滞的网络控制系统,通过分析网络时滞的所有可能性,提出了一种适用于预测控制综合方法的系统模型。针对双通道有界任意时滞的情况,则分别分析两个传输通道时滞对闭环系统的影响,推广了单通道时滞的结果并得到了网络控制系统模型。基此,分别给出了单通道时滞情况下的在线预测控制综合方法和双通道时滞情况下的离线预测控制综合方法。这些分析都同时考虑了数据丢包及时序错乱的影响,且研究单通道时滞的复杂度已相当于双通道数据丢包。
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