基于信息完整性尺度的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)最優(yōu)控制研究.pdf

1、近十幾年來(lái)，隨著控制科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和不斷融合，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems，NCS)已經(jīng)成為控制科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)一種新型的控制系統(tǒng)。它的出現(xiàn)不僅順應(yīng)了現(xiàn)代科技的發(fā)展趨勢(shì)，而且也反映了當(dāng)今以信息科學(xué)為支柱，各學(xué)科理論及應(yīng)用之間相互交叉、滲透和融合的發(fā)展趨勢(shì)。因而受到了人們的廣泛關(guān)注，日益成為控制學(xué)科理論和應(yīng)用研究的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題之一。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)在空間物理位置

2、上的限制，降低了系統(tǒng)連接的復(fù)雜性，降低了運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用，提高了信息集成度。因而為工業(yè)控制和企業(yè)管理決策帶來(lái)一種全新的模式，目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程工業(yè)控制、遙醫(yī)學(xué)、航空航天、遠(yuǎn)程教學(xué)、海洋信息遙測(cè)、兵器系統(tǒng)、海洋地形地貌勘探等多個(gè)領(lǐng)域。 但是，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)帶來(lái)若干優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)的介入，也使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡(luò)本身是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的一部分，因而使得整個(gè)系統(tǒng)具有

3、非線性性、時(shí)變性、不確定性和非完整性。這對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)的控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究主要集中在系統(tǒng)建模、穩(wěn)定性分析和魯棒控制等方面，而在最優(yōu)控制方面，特別是在信息非完整情況下的最優(yōu)控制方面，國(guó)內(nèi)外的研究資料還比較少。因此，如何在充分考慮網(wǎng)絡(luò)特性的前提下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深入分析和研究，尋找和設(shè)計(jì)最優(yōu)控制規(guī)律及其實(shí)現(xiàn)算法具有重要的理論研究意義和深遠(yuǎn)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 本文分析和研究了具備完全尺度和大尺度信息完整性的網(wǎng)絡(luò)

4、控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。具體的研究?jī)?nèi)容概括如下： 1．介紹了本文的課題背景、研究?jī)?nèi)容和研究意義。詳細(xì)介紹了最優(yōu)控制和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。 2．對(duì)網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包亂序、單包傳輸與多包傳輸?shù)染W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本問(wèn)題進(jìn)行了分析和闡述。詳細(xì)討論了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延產(chǎn)生的原因、影響網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延的基本因素，在此基礎(chǔ)上，按照網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延與采樣周期的不同關(guān)系，將時(shí)延分成了短時(shí)延和長(zhǎng)時(shí)延兩類；詳細(xì)討論了數(shù)據(jù)包丟失產(chǎn)生的原因，按

5、照數(shù)據(jù)包丟失的頻度和對(duì)系統(tǒng)性能的影響，將網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)劃分為具有完全尺度、大尺度和小尺度信息完整性的三類系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，從網(wǎng)絡(luò)專屬性，網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延和采樣周期對(duì)信息的完整性的影響作了概要的分析和討論；詳細(xì)討論了數(shù)據(jù)包亂序產(chǎn)生的原因和解決數(shù)據(jù)包亂序問(wèn)題的基本策略和方法。在長(zhǎng)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，按照數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)刻所屬時(shí)間范圍的不同，將數(shù)據(jù)包分成正常到達(dá)、超前到達(dá)和滯后到達(dá)三類，在此基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)包的時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了分析，給出了不同情形下對(duì)于數(shù)據(jù)

6、包的維序或舍棄策略；簡(jiǎn)單介紹了單包傳輸和多包傳輸問(wèn)題并簡(jiǎn)要分析了多包傳輸工作方式的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 3．研究了具備完全尺度信息完整性的短時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。針對(duì)傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)均采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)且使用單包傳輸工作模式的短時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，建立了離散時(shí)間系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法導(dǎo)出了有限時(shí)間二次型性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制律，然后對(duì)該控制律的物理可實(shí)現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行了討論，結(jié)合系統(tǒng)模型給出了最優(yōu)控制序列的設(shè)計(jì)方案。

7、最后通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。 4．研究了具有大尺度信息完整性的短時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。針對(duì)傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)均采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)的短時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，按照數(shù)據(jù)包丟失位置的不同，分成了傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)和雙邊均有數(shù)據(jù)包丟失三種情況分別加以討論，建立了離散時(shí)間系統(tǒng)模型。為了能夠在數(shù)據(jù)包丟失時(shí)有效地控制系統(tǒng)的狀態(tài)，提出了一種基于系統(tǒng)模型的估值補(bǔ)償方法，該方法可以根據(jù)歷史狀態(tài)信息和控制信息估算當(dāng)前丟失的狀態(tài)量和

8、控制量，然后利用該方法導(dǎo)出了有限時(shí)間二次型性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制律。數(shù)值仿真對(duì)數(shù)據(jù)包丟失時(shí)采用估值補(bǔ)償和不補(bǔ)償這兩種方案進(jìn)行了比較，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了估值補(bǔ)償方法的有效性和正確性。 5．研究了具備完全尺度信息完整性的長(zhǎng)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。針對(duì)傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)均采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)且存在數(shù)據(jù)包亂序的長(zhǎng)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出了一種數(shù)據(jù)包的維序策略并依據(jù)該策略建立了離散時(shí)間系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法導(dǎo)出了有限時(shí)間

9、二次型性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制律和一種物理可實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)控制序列的設(shè)計(jì)方案。最后通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)例驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的有效性。 6．研究了具有大尺度信息完整性的長(zhǎng)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問(wèn)題。針對(duì)傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)均采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)且存在數(shù)據(jù)包丟失和亂序的長(zhǎng)時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出了一種數(shù)據(jù)包丟失的判定方法，在此基礎(chǔ)上，按照數(shù)據(jù)包丟失位置的不同，分成了三種情況分別加以討論，然后利用第五章的主要結(jié)果和估值補(bǔ)償方法導(dǎo)出了有限時(shí)間二次型性能