CPS中一類非線性MIMO系統(tǒng)觀測器輔助實時控制方法研究.pdf

1、CPS（Cyber Physical Systems，信息物理系統(tǒng)）是集計算、通信、控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是計算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體。該系統(tǒng)使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實時的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體。CPS是物聯(lián)網(wǎng)的智能化擴(kuò)展，也是下一代網(wǎng)絡(luò)化機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。CPCS（信息物理控制系統(tǒng)）是CPS的一個重要分支;多個分立的SISO（單輸入單輸出）型閉環(huán)控制系統(tǒng)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)接入CPS后，可以建模成一個具有網(wǎng)絡(luò)

2、誘導(dǎo)時延的MIMO（多輸入多輸出）閉環(huán)CPCS。
　　網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延是影響閉環(huán)CPCS穩(wěn)定性和實時性的重要因素;嚴(yán)重時，在無時延環(huán)境下設(shè)計的控制器甚至不能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下工作。所以，研究CPCS中的MIMO系統(tǒng)，尤其是對時延一般比較敏感的非線性MIMO系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延補(bǔ)償和網(wǎng)絡(luò)化實時控制技術(shù)具有巨大的學(xué)術(shù)價值，對推動CPS在控制領(lǐng)域的實際應(yīng)用具有重要意義，目前已經(jīng)成為CPS相關(guān)前沿研究中的熱點問題。
　　本文旨在尋求以2DOF（

3、兩自由度）直升機(jī)模型為代表一類非線性MIMO系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化實時控制方法，目的是使在無時延環(huán)境下為之設(shè)計的就地控制器，仍然可以使用在具有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)I/O時延的CPCS中;這樣，就可以用無時延環(huán)境下的控制器設(shè)計方法來為CPCS中的該類非線性MIMO系統(tǒng)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制器。
　　論文首先以著名的Wood-Berry模型為例，研究了線性MIMO系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)I/O時延補(bǔ)償技術(shù)，提出了一種新的基于虛擬觀測器的時延補(bǔ)償方法。然后將本文研究的一類非線性MI

4、MO系統(tǒng)通過局部線性化方法近似成一線性MIMO系統(tǒng)，從而構(gòu)建一個時延合并的虛擬系統(tǒng);基于該虛擬系統(tǒng)為實際的時延非線性MIMO系統(tǒng)設(shè)計了一個觀測器，在該虛擬觀測器的輔助下，利用在無時延環(huán)境下設(shè)計的控制器實現(xiàn)了對該類非線性MIMO系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化實時控制。對2DOF直升機(jī)模型的實際測試結(jié)果證明了該方法正確有效。
　　論文的主要內(nèi)容有:
　　1)為線性MIMO系統(tǒng)提出了一種構(gòu)建等效虛擬系統(tǒng)的方法。即將網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)的I/O（輸入和輸出）時延

5、進(jìn)行合并，并分配到輸出通道或系統(tǒng)狀態(tài)向量中，從而從數(shù)學(xué)上構(gòu)建了一個虛擬線性MIMO系統(tǒng)。具有合并時延的該虛擬MIMO系統(tǒng)，在輸入-輸出關(guān)系上與原來具有I/O時延的系統(tǒng)等效。而且，該虛擬系統(tǒng)可以用狀態(tài)空間模型來描述，并證明了該模型具有可觀測性，滿足觀測器設(shè)計條件。
　　2)提出了一種改進(jìn)的Luenberger觀測器設(shè)計方法，并基于該方法簡便地實現(xiàn)了線性MIMO系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)時延補(bǔ)償。即，基于合并時延的虛擬MIMO系統(tǒng)設(shè)計一種含有時延項的

6、Luenberger觀測器，觀測器的狀態(tài)反饋到無時延環(huán)境下設(shè)計的狀態(tài)反饋控制器，如LQR（線性二次型優(yōu)化控制器）。由于觀測器的狀態(tài)位于合并的輸出時延項之前，從而剝離了時延的影響，保證了閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，實現(xiàn)了狀態(tài)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)的時延補(bǔ)償。論文以對時延敏感的著名Wood-Berry線性MIMO系統(tǒng)模型為例，仿真表明，在無時延環(huán)境中設(shè)計的狀態(tài)反饋控制器，即就地控制器，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中由于網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的存在不能正常工作，而利用本文提出的虛擬觀

7、測器時延補(bǔ)償方法，原狀態(tài)反饋控制器又恢復(fù)到了良好的工作狀態(tài)。
　　3)為了更有效地補(bǔ)償不同大小的時延，論文提出用一個比例因子ε修正該觀測器的增益矩陣Jo，并給出了求解ε最優(yōu)值的系統(tǒng)方法。即，將觀測器特征方程中的時延用其Pade近似值替代，然后取不同的ε值求解方程的特征根，距離虛軸最遠(yuǎn)的主特征根對應(yīng)的ε值即為當(dāng)前時延下的ε的最優(yōu)值。
　　4)由2DOF（兩自由度）直升機(jī)模型的網(wǎng)絡(luò)化控制引出了一類CPCS中的非線性MIMO系統(tǒng)的

8、網(wǎng)絡(luò)控制問題。首先，對拉格朗日方法得到的直升機(jī)模型的非線性動態(tài)方程進(jìn)行準(zhǔn)線性化，得到要討論的一類非線性MIMO系統(tǒng)的準(zhǔn)線性無時延狀態(tài)空間模型。基于該模型設(shè)計了就地控制器，即LQR+FF+I控制器（線性二次型優(yōu)化控制器+前向控制器+積分器）。然后，對引入時延的該狀態(tài)空間模型進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，將非線性項進(jìn)一步簡化后合并到線性部分，構(gòu)建一個等效的具有I/O時延的線性MIMO系統(tǒng);最后，基于該等效系統(tǒng)利用線性MIMO系統(tǒng)時延補(bǔ)償辦法進(jìn)行虛擬觀測器輔

9、助實時控制。對2DOF的直升機(jī)模型的控制仿真和實際測試表明，本方法對該類非線性MIMO系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化實時控制十分有效，使網(wǎng)絡(luò)時延導(dǎo)致失穩(wěn)的直升機(jī)模型網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)系統(tǒng)重新歸于穩(wěn)定。
　　5)最后討論了實際應(yīng)用在CPCS中需要注意的幾個事項。如:有界隨機(jī)時延可以通過時延堆棧轉(zhuǎn)化成固定時延，以簡便地實現(xiàn)基于虛擬觀測器的時延補(bǔ)償。對時延合并構(gòu)建的虛擬系統(tǒng)的維數(shù)可能增加，導(dǎo)致基于虛擬系統(tǒng)設(shè)計的觀測器的狀態(tài)不能直接反饋到原來的LQR控制器的問題，本