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，隨著控制科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(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，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。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)用研究的熱點和焦點問題之一。 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、兵器系統(tǒng)、海洋地形地貌勘探等多個領(lǐng)域。 但是，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)帶來若干優(yōu)點的同時，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，因而使得整個系統(tǒng)具有

3、非線性性、時變性、不確定性和非完整性。這對于基于網(wǎng)絡(luò)的控制提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，對于網(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，對系統(tǒng)進(jìn)行深入分析和研究，尋找和設(shè)計最優(yōu)控制規(guī)律及其實現(xiàn)算法具有重要的理論研究意義和深遠(yuǎn)的實際應(yīng)用價值。 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)控制問題。具體的研究內(nèi)容概括如下： 1．介紹了本文的課題背景、研究內(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．對網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、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)的基本問題進(jìn)行了分析和闡述。詳細(xì)討論了網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延產(chǎn)生的原因、影響網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的基本因素，在此基礎(chǔ)上，按照網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延與采樣周期的不同關(guān)系，將時延分成了短時延和長時延兩類；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)時延和采樣周期對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)包亂序問題的基本策略和方法。在長時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，按照數(shù)據(jù)包到達(dá)時刻所屬時間范圍的不同，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，對數(shù)據(jù)包的時序關(guān)系進(jìn)行了分析，給出了不同情形下對于數(shù)據(jù)

6、包的維序或舍棄策略；簡單介紹了單包傳輸和多包傳輸問題并簡要分析了多包傳輸工作方式的優(yōu)點和缺點。 3．研究了具備完全尺度信息完整性的短時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。針對傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點均采用時間驅(qū)動且使用單包傳輸工作模式的短時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，建立了離散時間系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，利用動態(tài)規(guī)劃算法導(dǎo)出了有限時間二次型性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制律，然后對該控制律的物理可實現(xiàn)問題進(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)計方案。

7、最后通過數(shù)值仿真驗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延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。針對傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點均采用時間驅(qū)動的短時延網(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、控制器節(jié)點和雙邊均有數(shù)據(jù)包丟失三種情況分別加以討論，建立了離散時間系統(tǒng)模型。為了能夠在數(shù)據(jù)包丟失時有效地控制系統(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)出了有限時間二次型性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制律。數(shù)值仿真對數(shù)據(jù)包丟失時采用估值補(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時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。針對傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點均采用時間驅(qū)動且存在數(shù)據(jù)包亂序的長時延網(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間系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，利用動態(tài)規(guī)劃算法導(dǎo)出了有限時間

9、二次型性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制律和一種物理可實現(xiàn)的最優(yōu)控制序列的設(shè)計方案。最后通過數(shù)值仿真實例驗證了該設(shè)計方案的有效性。 6．研究了具有大尺度信息完整性的長時延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。針對傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點均采用時間驅(qū)動且存在數(shù)據(jù)包丟失和亂序的長時延網(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)出了有限時間二次型性能