基于信息完整性尺度的网络控制系统最优控制研究

论文摘要

近十几年来,随着控制科学、网络技术和计算机技术的快速发展和不断融合,网络控制系统(Networked Control Systems, NCS)已经成为控制科学领域内一种新型的控制系统。它的出现不仅顺应了现代科技的发展趋势,而且也反映了当今以信息科学为支柱,各学科理论及应用之间相互交叉、渗透和融合的发展趋势。因而受到了人们的广泛关注,日益成为控制学科理论和应用研究的热点和焦点问题之一。网络控制系统打破了传统控制系统在空间物理位置上的限制,降低了系统连接的复杂性,降低了运行成本和维护费用,提高了信息集成度。因而为工业控制和企业管理决策带来一种全新的模式,目前,网络控制系统被广泛地应用于远程工业控制、遥医学、航空航天、远程教学、海洋信息遥测、兵器系统、海洋地形地貌勘探等多个领域。但是,在网络控制系统带来若干优点的同时,由于网络的介入,也使得网络控制系统的分析和设计变得更加复杂。在网络控制系统中,由于网络本身是闭环反馈控制系统的一部分,因而使得整个系统具有非线性性、时变性、不确定性和非完整性。这对于基于网络的控制提出了严峻的挑战。目前,对于网络控制系统的研究主要集中在系统建模、稳定性分析和鲁棒控制等方面,而在最优控制方面,特别是在信息非完整情况下的最优控制方面,国内外的研究资料还比较少。因此,如何在充分考虑网络特性的前提下,对系统进行深入分析和研究,寻找和设计最优控制规律及其实现算法具有重要的理论研究意义和深远的实际应用价值。本文分析和研究了具备完全尺度和大尺度信息完整性的网络控制系统的最优控制问题。具体的研究内容概括如下:1.介绍了本文的课题背景、研究内容和研究意义。详细介绍了最优控制和网络控制系统的研究现状。2.对网络诱导时延、数据包丢失、数据包乱序、单包传输与多包传输等网络控制系统的基本问题进行了分析和阐述。详细讨论了网络诱导时延产生的原因、影响网络诱导时延的基本因素,在此基础上,按照网络诱导时延与采样周期的不同关系,将时延分成了短时延和长时延两类;详细讨论了数据包丢失产生的原因,按照数据包丢失的频度和对系统性能的影响,将网络控制系统划分为具有完全尺度、大尺度和小尺度信息完整性的三类系统,在此基础上,从网络专属性,网络诱导时延和采样周期对信息的完整性的影响作了概要的分析和讨论;详细讨论了数据包乱序产生的原因和解决数据包乱序问题的基本策略和方法。在长时延网络控制系统中,按照数据包到达时刻所属时间范围的不同,将数据包分成正常到达、超前到达和滞后到达三类,在此基础上,对数据包的时序关系进行了分析,给出了不同情形下对于数据包的维序或舍弃策略;简单介绍了单包传输和多包传输问题并简要分析了多包传输工作方式的优点和缺点。3.研究了具备完全尺度信息完整性的短时延网络控制系统的最优控制问题。针对传感器、控制器和执行器节点均采用时间驱动且使用单包传输工作模式的短时延网络控制系统,建立了离散时间系统模型。在此基础上,利用动态规划算法导出了有限时间二次型性能指标下的最优控制律,然后对该控制律的物理可实现问题进行了讨论,结合系统模型给出了最优控制序列的设计方案。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。4.研究了具有大尺度信息完整性的短时延网络控制系统的最优控制问题。针对传感器、控制器和执行器节点均采用时间驱动的短时延网络控制系统,按照数据包丢失位置的不同,分成了传感器节点、控制器节点和双边均有数据包丢失三种情况分别加以讨论,建立了离散时间系统模型。为了能够在数据包丢失时有效地控制系统的状态,提出了一种基于系统模型的估值补偿方法,该方法可以根据历史状态信息和控制信息估算当前丢失的状态量和控制量,然后利用该方法导出了有限时间二次型性能指标下的最优控制律。数值仿真对数据包丢失时采用估值补偿和不补偿这两种方案进行了比较,从而进一步验证了估值补偿方法的有效性和正确性。5.研究了具备完全尺度信息完整性的长时延网络控制系统的最优控制问题。针对传感器、控制器和执行器节点均采用时间驱动且存在数据包乱序的长时延网络控制系统,提出了一种数据包的维序策略并依据该策略建立了离散时间系统模型。在此基础上,利用动态规划算法导出了有限时间二次型性能指标下的最优控制律和一种物理可实现的最优控制序列的设计方案。最后通过数值仿真实例验证了该设计方案的有效性。6.研究了具有大尺度信息完整性的长时延网络控制系统的最优控制问题。针对传感器、控制器和执行器节点均采用时间驱动且存在数据包丢失和乱序的长时延网络控制系统,提出了一种数据包丢失的判定方法,在此基础上,按照数据包丢失位置的不同,分成了三种情况分别加以讨论,然后利用第五章的主要结果和估值补偿方法导出了有限时间二次型性能指标下的最优控制律。数值仿真对数据包“判定丢失”和“事实丢失”时采用估值补偿和不补偿这两种方案进行了比较,从而验证了结果的有效性和正确性。7.对全文进行了总结,对下一步的研究工作和有待解决的问题进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 最优控制研究现状
• 1.3 网络控制系统的研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 2 预备知识——网络控制系统中的几个基本问题
• 2.1 网络诱导时延
• 2.2 数据包丢失
• 2.3 数据包乱序
• 2.4 单包传输与多包传输
• 2.5 本章小结
• 3 具备完全尺度信息完整性的短时延 NCS 的最优控制
• 3.1 问题的提出
• 3.2 最优控制律设计
• 3.3 物理可实现问题
• 3.4 仿真实例
• 3.5 本章小结
• 4 大尺度信息完整性下的短时延 NCS 的最优控制
• 4.1 问题的提出
• 4.2 主要结果
• 4.3 数值仿真
• 4.4 本章小结
• 5 具备完全尺度信息完整性的长时延 NCS 的最优控制
• 5.1 引言
• 5.2 问题的提出
• 5.3 最优控制律设计
• 5.4 仿真实例
• 5.5 本章小结
• 6 大尺度信息完整性下的长时延 NCS 的最优控制
• 6.1 引言
• 6.2 问题的提出
• 6.3 主要结果
• 6.4 数值仿真
• 6.5 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要研究工作总结
• 7.2 主要成果和创新之处
• 7.3 下一步的研究方向
• 参考文献
• 附录 符号索引
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表相关论文情况
• 攻读博士学位期间参加科研项目情况