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)，是計算進程和物理進程的統(tǒng)一體。該系統(tǒng)使用網絡化空間以遠程的、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)網的智能化擴展，也是下一代網絡化機電一體化控制系統(tǒng)的核心技術。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)經網絡接入CPS后，可以建模成一個具有網絡

2、誘導時延的MIMO（多輸入多輸出）閉環(huán)CPCS。
　　網絡誘導時延是影響閉環(huán)CPCS穩(wěn)定性和實時性的重要因素;嚴重時，在無時延環(huán)境下設計的控制器甚至不能在網絡環(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)的網絡誘導時延補償和網絡化實時控制技術具有巨大的學術價值，對推動CPS在控制領域的實際應用具有重要意義，目前已經成為CPS相關前沿研究中的熱點問題。
　　本文旨在尋求以2DOF（

3、兩自由度）直升機模型為代表一類非線性MIMO系統(tǒng)的網絡化實時控制方法，目的是使在無時延環(huán)境下為之設計的就地控制器，仍然可以使用在具有網絡誘導I/O時延的CPCS中;這樣，就可以用無時延環(huán)境下的控制器設計方法來為CPCS中的該類非線性MIMO系統(tǒng)設計網絡控制器。
　　論文首先以著名的Wood-Berry模型為例，研究了線性MIMO系統(tǒng)的網絡I/O時延補償技術，提出了一種新的基于虛擬觀測器的時延補償方法。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)境下設計的控制器實現(xiàn)了對該類非線性MIMO系統(tǒng)的網絡化實時控制。對2DOF直升機模型的實際測試結果證明了該方法正確有效。
　　論文的主要內容有:
　　1)為線性MIMO系統(tǒng)提出了一種構建等效虛擬系統(tǒng)的方法。即將網絡誘導的I/O（輸入和輸出）時延

5、進行合并，并分配到輸出通道或系統(tǒng)狀態(tài)向量中，從而從數(shù)學上構建了一個虛擬線性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，滿足觀測器設計條件。
　　2)提出了一種改進的Luenberger觀測器設計方法，并基于該方法簡便地實現(xiàn)了線性MIMO系統(tǒng)的網絡時延補償。即，基于合并時延的虛擬MIMO系統(tǒng)設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)境中設計的狀態(tài)反饋控制器，即就地控制器，在網絡環(huán)境中由于網絡誘導時延的存在不能正常工作，而利用本文提出的虛擬觀

7、測器時延補償方法，原狀態(tài)反饋控制器又恢復到了良好的工作狀態(tài)。
　　3)為了更有效地補償不同大小的時延，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，距離虛軸最遠的主特征根對應的ε值即為當前時延下的ε的最優(yōu)值。
　　4)由2DOF（兩自由度）直升機模型的網絡化控制引出了一類CPCS中的非線性MIMO系統(tǒng)的

8、網絡控制問題。首先，對拉格朗日方法得到的直升機模型的非線性動態(tài)方程進行準線性化，得到要討論的一類非線性MIMO系統(tǒng)的準線性無時延狀態(tài)空間模型。基于該模型設計了就地控制器，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)空間模型進行數(shù)學變換，將非線性項進一步簡化后合并到線性部分，構建一個等效的具有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)時延補償辦法進行虛擬觀測器輔

9、助實時控制。對2DOF的直升機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)的網絡化實時控制十分有效，使網絡時延導致失穩(wěn)的直升機模型網絡閉環(huán)系統(tǒng)重新歸于穩(wěn)定。
　　5)最后討論了實際應用在CPCS中需要注意的幾個事項。如:有界隨機時延可以通過時延堆棧轉化成固定時延，以簡便地實現(xiàn)基于虛擬觀測器的時延補償。對時延合并構建的虛擬系統(tǒng)的維數(shù)可能增加，導致基于虛擬系統(tǒng)設計的觀測器的狀態(tài)不能直接反饋到原來的LQR控制器的問題，本