CPS中一类非线性MIMO系统观测器辅助实时控制方法研究

摘要

CPS（Cyber Physical Systems，信息物理系统）是集计算、通信、控制于一体的下一代智能系统，是计算进程和物理进程的统一体。该系统使用网络化空间以远程的、可靠的、实时的、安全的、协作的方式操控一个物理实体。CPS是物联网的智能化扩展，也是下一代网络化机电一体化控制系统的核心技术。CPCS（信息物理控制系统）是CPS的一个重要分支;多个分立的SISO（单输入单输出）型闭环控制系统经网络接入CPS后，可以建模成一个具有网络诱导时延的MIMO（多输入多输出）闭环CPCS。
　　网络诱导时延是影响闭环CPCS稳定性和实时性的重要因素;严重时，在无时延环境下设计的控制器甚至不能在网络环境下工作。所以，研究CPCS中的MIMO系统，尤其是对时延一般比较敏感的非线性MIMO系统的网络诱导时延补偿和网络化实时控制技术具有巨大的学术价值，对推动CPS在控制领域的实际应用具有重要意义，目前已经成为CPS相关前沿研究中的热点问题。
　　本文旨在寻求以2DOF（两自由度）直升机模型为代表一类非线性MIMO系统的网络化实时控制方法，目的是使在无时延环境下为之设计的就地控制器，仍然可以使用在具有网络诱导I/O时延的CPCS中;这样，就可以用无时延环境下的控制器设计方法来为CPCS中的该类非线性MIMO系统设计网络控制器。
　　论文首先以著名的Wood-Berry模型为例，研究了线性MIMO系统的网络I/O时延补偿技术，提出了一种新的基于虚拟观测器的时延补偿方法。然后将本文研究的一类非线性MIMO系统通过局部线性化方法近似成一线性MIMO系统，从而构建一个时延合并的虚拟系统;基于该虚拟系统为实际的时延非线性MIMO系统设计了一个观测器，在该虚拟观测器的辅助下，利用在无时延环境下设计的控制器实现了对该类非线性MIMO系统的网络化实时控制。对2DOF直升机模型的实际测试结果证明了该方法正确有效。
　　论文的主要内容有:
　　1)为线性MIMO系统提出了一种构建等效虚拟系统的方法。即将网络诱导的I/O（输入和输出）时延进行合并，并分配到输出通道或系统状态向量中，从而从数学上构建了一个虚拟线性MIMO系统。具有合并时延的该虚拟MIMO系统，在输入-输出关系上与原来具有I/O时延的系统等效。而且，该虚拟系统可以用状态空间模型来描述，并证明了该模型具有可观测性，满足观测器设计条件。
　　2)提出了一种改进的Luenberger观测器设计方法，并基于该方法简便地实现了线性MIMO系统的网络时延补偿。即，基于合并时延的虚拟MIMO系统设计一种含有时延项的Luenberger观测器，观测器的状态反馈到无时延环境下设计的状态反馈控制器，如LQR（线性二次型优化控制器）。由于观测器的状态位于合并的输出时延项之前，从而剥离了时延的影响，保证了闭环控制系统的稳定，实现了状态反馈闭环控制系统的时延补偿。论文以对时延敏感的著名Wood-Berry线性MIMO系统模型为例，仿真表明，在无时延环境中设计的状态反馈控制器，即就地控制器，在网络环境中由于网络诱导时延的存在不能正常工作，而利用本文提出的虚拟观测器时延补偿方法，原状态反馈控制器又恢复到了良好的工作状态。
　　3)为了更有效地补偿不同大小的时延，论文提出用一个比例因子ε修正该观测器的增益矩阵Jo，并给出了求解ε最优值的系统方法。即，将观测器特征方程中的时延用其Pade近似值替代，然后取不同的ε值求解方程的特征根，距离虚轴最远的主特征根对应的ε值即为当前时延下的ε的最优值。
　　4)由2DOF（两自由度）直升机模型的网络化控制引出了一类CPCS中的非线性MIMO系统的网络控制问题。首先，对拉格朗日方法得到的直升机模型的非线性动态方程进行准线性化，得到要讨论的一类非线性MIMO系统的准线性无时延状态空间模型。基于该模型设计了就地控制器，即LQR+FF+I控制器（线性二次型优化控制器+前向控制器+积分器）。然后，对引入时延的该状态空间模型进行数学变换，将非线性项进一步简化后合并到线性部分，构建一个等效的具有I/O时延的线性MIMO系统;最后，基于该等效系统利用线性MIMO系统时延补偿办法进行虚拟观测器辅助实时控制。对2DOF的直升机模型的控制仿真和实际测试表明，本方法对该类非线性MIMO系统的网络化实时控制十分有效，使网络时延导致失稳的直升机模型网络闭环系统重新归于稳定。
　　5)最后讨论了实际应用在CPCS中需要注意的几个事项。如:有界随机时延可以通过时延堆栈转化成固定时延，以简便地实现基于虚拟观测器的时延补偿。对时延合并构建的虚拟系统的维数可能增加，导致基于虚拟系统设计的观测器的状态不能直接反馈到原来的LQR控制器的问题，本文提出了用状态输出矩阵Ω对观测器状态进行降维的办法。对输入或输出通道上的时延大小相差较大的系统，ε可以取值为一个合适的矩阵，这将有利于提高时延补偿的效果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 信息物理系统(CPS)概述

1．1．1 CPS的含义和价值

1．1．2 CPS与WSN和物联网的关系

1．1．3 CPS国内外研究现状

1．2 CPS的网络化实时控制

1．2．1 CPS网络化控制的实时性要求

1．2．2 CPS网络实时控制研究现状

1．3 网络化控制系统时延补偿

1．3．1 网络时延建模和时延补偿方法研究现状

1．3．2 基于观测器的时延补偿方法研究现状

1．4 本论文的基本任务和主要内容

1．5 本章小结

第2章 MIMO系统的NCS建模

2．1 分布式CPS控制系统建模

2．2 网络化MIMO系统的传递函数矩阵

2．3 时延合并构建虚拟MIMO系统

2．3．1 网络时延与状态空间模型

2．3．2 时延合并分配到输出通道

2．3．3 时延合并分配到系统状态

2．4 时延合并示例

2．4．1 实例1—时延合并到输出通道

2．4．2 实例2—时延合并到系统状态

2．5 本章小结

第3章 线性MIMO系统观测器辅助时延补偿

3．1 线性系统控制器设计及应用

3．1．1 无时延LQR控制

3．1．2 时延对系统控制的影响

3．2 闭环控制系统观测器辅助时延补偿

3．2．1 无时延线性系统的观测器设计

3．2．2 时延线性虚拟系统观测器设计

3．2．3 观测器辅助时延补偿算法及应用

3．3 最佳观测器增益矩阵比例因子

3．4 本章小结

第4章 一类非线性MIMO系统的控制器设计

4．1 两自由度直升机飞行模拟器建模

4．1．1 直升机模型结构与受力分析

4．1．2 直升机模型的动能计算

4．1．3 直升机模型的非线性动力学方程

4．2 一类非线性MIMO系统的线性化

4．2．1 局部线性化

4．2．2 反馈线性化

4．3 一类非线性MIMO系统控制器设计

4．3．1 基于反馈线性化模型的PID控制器设计

4．3．2 基于局部线性化模型的二次最优控制器

4．4 本章小结

第5章 一类非线性MIMO系统网络实时控制方法

5．1 网络诱导时延对非线性MIMO系统闭环控制的影响

5．1．1 具有I／O时延的LQR+FF控制仿真

5．1．2 具有I／O时延的LOR+FF+I控制仿真

5．1．3 具有I／O时延的LQR+FF+I控制的硬件测试

5．2 一类非线性MIMO系统状态估计方法

5．2．1 无时延非线性MIMO系统的状态估计

5．2．2 具有输出时延的非线性MIMO系统状态估计

5．3 一类非线性MIMO系统IO时延合并

5．4 非线性MIMO系统观测器辅助实时控制

5．4．1 一类I／O时延系统的状态估计

5．4．2 时延非线性系统的观测器辅助实时控制

5．4．3 非线性MIMO系统的观测器辅助网络实时控制示例

5．5 实际应用中若干注意事项

5．5．1 时延补偿应用策略

5．5．2 对时延合并导致系统增维的处理

5．5．3 比例因子矩阵应用

5．6 本章小结

总结与展望

1．总结

2．本文创新点

3．研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的论文与科研成果