网络化反馈控制系统的最优跟踪

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过去的十几年,通讯(尤其是无线通讯)与计算机技术的迅猛发展推动着网络渗透到世界上的每个角落。在未来,这种技术会以更快的速度和更大的规模发展下去。相应地,通讯技术的进步必然对控制理论和应用产生确定性影响,并且导致控制理论研究的新方向--将通讯网络,控制设计和计算机技术有机结合起来。如何结合通讯网络也成为控制理论研究新的热点。跟传统的控制系统相比,由于网络本身存在着一些对系统性能产生破坏性影响的固有本质,这使得基于网络的控制系统存在许多传统控制系统所没有的问题,例如网络延时、数据传输率和信噪比受限、量化的影响等。当前国内外对这些问题的研究主要集中在系统的稳定性分析上,对其它一些重要问题,比如系统的跟踪性能和鲁棒性,在基于网络的控制系统中还处于起步阶段。   本文就针对基于网络的控制系统的最优跟踪性能进行详细的讨论。考虑基于量化控制信号的系统跟踪性能。参考跟踪信号是阶跃信号,跟踪性能通过对象输出与参考信号之差的能量来衡量。为了达到渐近跟踪,我们提出了一个新的对数量化控制方案。方案分两部分:一部分是在初始时刻将控制器产生的控制信号的稳态值通过网络传输给被控对象并且存储在其输入端;另一部分则是通过对数量化器对控制信号的瞬态部分(即控制信号与其稳态值之差)进行量化,量化后的控制信号瞬态值再经由网络传输给被控对象。该量化控制信号与稳态控制信号相加构成真正的控制信号后作用于被控对象。本文中,我们针对现有的有关量化误差的假设的局限性,提出了一个新的假设。我们假设对数量化误差是源信号和白噪声之间的一个乘积,并假设白噪声在给定区间内均匀分布。   基于上述模型,本文运用频域与时域两种方法研究了具有量化效应的反馈系统的最优跟踪性能。选取稳定的线性时不变连续系统为研究对象,我们得到了该系统可能达到的最优跟踪性能的下界。而后,我们考虑离散系统,依然采用上述对数量化控制方案,研究了基于量化控制信号的线性时不变离散系统的最优跟踪问题。若被控对象是不稳定系统,同时采用本地与远程控制器,运用H2最优理论,我们得到系统最优跟踪性能的精确描述,以及相应地最优远程控制器的精确描述。结果表明,若被控系统是稳定的,则最优跟踪性能取决于被控对象结构特征以及量化效果,若被控对象是不稳定,则系统最优跟踪性能与量化效果有关,与被控对象非最小相位零点以及本地闭环系统的最小相位部分有关。   从时域角度出发,根据被控对象状态空间描述特性,采用二自由度控制器结构,利用离散随机系统动态规划方法,我们得到一个非标准的代数Riccati方程。将相对量化误差看成是信道中的噪声,当相对量化误差的方差与信道最小容量之间满足一定关系时,该Riccati方程的唯一正定解存在。利用该正定解,我们得到线性时不变离散系统最优跟踪性能以及相应地最优控制器的表达式。进一步,利用系统内外因子分解理论以及内因子的平衡实现,我们得到非标准代数Riccati方程唯一正定解是对角型的,并利用该对角型正定解得到离散系统最优跟踪性能新的表达式。研究结果表明,离散系统跟踪性能由两部分组成,一部分完全由被控对象非最小相位系统决定,另一部分由被控对象最小相位部分以及与最小相位有关的非标准代数Riccati方程的唯一正定解决定,即,系统最优跟踪性能与量化效果有关,与被控对象非最小相位零点以及本地闭环系统的最小相位部分有关,这一结论与频域法得到的结论一致。   文章最后将单输入单输出系统中得到的基于量化控制信号信号的系统最优跟踪性能结论拓展到多输入单输出系统,同样得到一个非标准的代数Riccati方差。利用该Riccati方程的唯一正定解,我们得到线性离散多输入单输出系统最优跟踪性能以及相应地最优控制器的表达式。
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