【摘 要】
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网络化控制系统是将控制回路中的传感器、控制器、执行器等多个节点的信息由有限带宽的通信网络连接起来而形成的一种空间分布式控制系统,它布线简单、易于安装与维护、能够
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网络化控制系统是将控制回路中的传感器、控制器、执行器等多个节点的信息由有限带宽的通信网络连接起来而形成的一种空间分布式控制系统,它布线简单、易于安装与维护、能够实现信息资源共享和远程控制,充分满足了控制系统分布化、网络化、集成化、节点智能化的现实需求,是系统控制模式发展的必然趋势。网络技术与控制系统的互相融合,为工业生产带来了更广阔的设计空间,但由于网络固有属性引起的数据丢包等不可靠传输问题,给网络化控制系统的分析和设计带来了前所未有的挑战。为使网络化控制系统具有良好的动态性能,该领域相关学者进行了深入探索,通过实践证明在众多解决方案当中,模型预测控制(MPC)能充分满足工业生产需求,是一种行之有效且得到重点关注的方法。MPC是一种在石油化工等流程工业领域得到广泛应用的先进控制算法,在处理高维多变量,物理约束等问题有着独特的优势。将MPC用于处理网络化控制系统中的数据丢包等问题已得到学术界的广泛重视,但是相对于网络化控制系统在线性系统中的丰富研究成果,非线性系统的相关成果较少,因此本文针对非线性网络化控制系统的MPC问题展开了研究,主要内容有:1.针对在丢包网络环境下以Hammerstein模型描述的非线性系统,提出了一种预测控制器的设计方法。首先对系统进行线性化处理,对于Hammerstein模型的非线性,一部分通过建立非线性函数的反函数来消除,剩余非线性较弱的部分采用多胞描述的形式表达;其次提出与数据丢包情况相对应且线性化后的Hammerstein模型作为预测模型;最后结合MPC方法,在每个采样时间求解含有一个自由控制作用的优化问题,得到未来一段时间的控制序列,并实施第一个控制作用,实现对该闭环系统的稳定控制。2.针对丢包网络环境下以Hammerstein模型描述的非线性系统,提出了一种基于事件触发机制的预测控制器设计方法。首先采用内容1中针对非线性系统的处理方法,得到线性化后的系统模型;其次在控制系统中考虑数据丢包及事件触发机制,采用马尔可夫链描述网络随机丢包过程,分别在系统传感器-控制器(S-C)及控制器-执行器(C-A)通信链路中引入可以节约网络资源的事件发生器,提出包含数据丢包且基于事件触发机制的闭环控制系统模型;最后结合MPC方法,在每个采样时刻求解系统最优控制作用,并以线性矩阵不等式的形式给出了系统稳定的充分条件。3.针对丢包网络环境下具有执行器饱和的Takagi-Sugeno(T-S)模糊系统,分别提出了基于并行分布式补偿(PDC)和非并行分布式补偿(non-PDC)策略的预测控制器设计方法。首先对系统模型进行线性化处理,采用凸包组合的方式描述执行器饱和,结合伯努利分布规则描述系统随机丢包过程;其次采用PDC和non-PDC策略设计了T-S系统的状态反馈预测控制器;最后考虑了该系统的输入和输出约束问题,同时也给出了保证闭环控制系统稳定的充分条件。通过两个仿真实例验证了所提出方法的有效性,其结果表明non-PDC比PDC策略的控制收敛速度更快。
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