基于胞映射的数字控制系统量化效应分析与设计

论文摘要

本文研究了数字控制系统的量化效应和有限精度直接设计问题。量化研究在数字系统产生的早期就已有之,但大部分数字系统研究和设计都忽略了量化效应,直到近些年来,随着网络化和全数字化成为控制系统设计开发的主流,量化问题才重新引起人们的关注。本文则利用胞映射方法研究了量化对系统稳定性、可控性等动态性能的影响,并以胞模型为基础提出了一套新的量化系统有限精度直接设计方法。本文研究主要针对控制器和被控设备之间连接的量化问题,例如因使用A/D和D/A转换产生的量化,数字网络传输产生的信号量化等,同时也对控制器的有限字长问题进行了简要的分析。“量化”的建模是研究量化的第一步,也是研究的关键所在,不同的模型就有完全不同的分析设计方法,本文就对当前量化的主要模型进行了介绍,并利用量化效应的一些典型例子,揭示了主流扰动量化模型的一些不足之处,并明确指出变量本身的“离散化”使得很多基于解析理论的控制方法不能直接用于量化系统设计研究,而这正是量化研究的难点所在。本文则直接考察因量化而产生的离散状态空间的动力学特性,由此引出利用胞映射模型和相关方法研究控制系统量化问题的基本思路。一些特殊的量化效应往往反映了量化的本质,因此能否成功地解释这些特殊现象是检验一个量化模型好坏的最重要标准。本文具体阐述了如何利用胞映射方法来描述量化系统的动力学特性,然后对一些量化现象进行了新的解释。在胞映射描述的基础上,还发展了利用胞映射方法进行量化系统的稳定性、鲁棒性、可控性等基本动态性能的分析评价方法。进行基本的分析之后就是综合设计部分,量化系统的设计就是要在状态反馈和控制输入量化的条件下进行系统设计。本文利用胞映射模型给出了一种新的量化数字控制系统有限精度直接设计方法,这种方法可以全面考虑输入和状态的量化,不仅可以处理线性系统,而且可以很方便地处理非线性系统,此方法将量化视为设计的前提,而不再是一种需要消除的现象。本文还对胞映射设计方法的软硬件实现进行了详细说明。量化问题也出现在系统辨识环节,本文还对量化对系统辨识实验设计和一般辨识方法的影响进行了分析,然后探讨了利用胞映射模型进行闭环系统辨识的方法。此外,还讨论了灰色系统理论在量化研究中的应用,主要是控制器本身的量化问题研究。文章最后为多领域交叉研究,主要将相关的理论研究应用到目前一些热门问题中,而这种交叉研究也正是目前控制学科发展的一个基本趋势。这里选择了两个系统进行研究,一是气候调控系统,主要是利用控制论的观点和方法对气候调控的措施进行分析,并设计了具体的胞映射控制方法;二是互联网搜索引擎系统,主要对其网页下载子系统Spider模块进行了胞映射建模,并设计了基本的控制算法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 量化研究的历史与意义
• 1.2 量化研究的国内外现状
• 1.3 量化研究难点与本文的内容和目标
• 1.4 论文内容安排
• 2 主要量化模型分析
• 2.1 引言
• 2.2 量化研究的基本模型
• 2.3 线性系统的量化例子
• 2.4 基于LOGISTIC 映射的非线性系统例子
• 2.5 进一步的研究
• 3 基于胞映射的量化系统动态性能分析与描述
• 3.1 引言
• 3.2 胞映射方法的引入
• 3.3 量化系统稳定性分析
• 3.4 量化系统可控性分析
• 3.5 量化系统鲁棒性分析
• 3.6 非线性系统的讨论
• 3.7 本章小结
• 4 基于胞映射的控制系统有限精度直接设计方法
• 4.1 引言
• 4.2 最优设计的一般方法
• 4.3 基于胞映射的最优化设计方法
• 4.4 胞映射控制算法的工程实现
• 4.5 非线性系统的讨论
• 4.6 胞映射最优设计方法的优缺点
• 4.7 本章小结
• 5 量化系统的辨识与胞方法建模
• 5.1 引言
• 5.2 系统辨识的一般方法简介
• 5.3 一般辨识方法中的量化问题探讨
• 5.4 基于胞映射方法的系统辨识
• 5.5 本章小结
• 6 灰色系统理论在量化研究中的应用
• 6.1 引言
• 6.2 灰色系统理论的引入
• 6.3 典型例子分析
• 6.4 胞映射与灰色系统理论的比较
• 6.5 本章小结
• 7 胞映射控制理论在交叉学科中的应用
• 7.1 引言
• 7.2 气候调控研究
• 7.3 搜索引擎SPIDER控制研究
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 博士期间论文创作情况
• 附录B 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系