基于卡尔曼滤波的多控制器最优状态估计策略方法研究

来源 :北京工业大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:huanyou123
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网络化控制系统(Networked Control Systems,NCSs)是指由传感器、控制器、执行器及被控平台等,通过共享网络传输构成的实时闭环反馈控制系统。依据信息在网络中传输媒介的不同,网络化控制系统可以分为有线网络化控制系统(Wired Network Control System,WNCS)和无线网络化控制系统(Wireless Network Control System,WiNCS)。随着无线网络与通信技术的快速发展,基于无线网络的网络化控制系统由于其灵活性及可扩展性,已成为未来发展和研究的趋势,然而,由于无线网络带宽的限制以及网络不稳定等因素的影响,数据传输不可避免的会产生网络时延、数据包丢失、量化误差等众多问题,这些问题不仅仅会破坏控制系统的稳定性,而且会对WiNCS的分析与设计带来了诸多困难。目前,基于无线网络的网络化控制系统的最优控制策略的研究尚且集中在单个控制器问题上,对于基于分布式多控制器的无线网络化控制系统的研究较少。针对上述问题,本文研究了被控平台状态完全可知的情况下,基于分布式多控制器的最优控制策略设计方案。并且针对当控制器状态不能完全可知的状态下,提出了一种基于卡尔曼滤波算法的多控制器最优状态估计控制策略。本文主要研究内容具体如下:(1)基于全状态信息下的多控制器最优控制策略设计方法目前对于无线网络化控制系统的研究集中在基于单控制器的系统稳定性以及系统性能分析上,由于在网络化控制系统中引入了无线网络,因此相比于传统的点对点控制系统来说,在无线网络化控制系统中对于控制器节点位置的选择更加灵活多变。因此,本文首先提出了基于全状态信息下的分布式多控制器无线网络化控制系统最优控制策略的设计方案。通过分析控制器之间的相互制约关系,利用系统状态方程,结合矩阵论以及二次型高斯方程推导出最优控制策略。仿真结果表明,基于全状态信息的分布式多控制器无线网络化控制系统相比较于单控制器控制的无线网络化控制系统在系统稳定性上有显著提升。(2)基于卡尔曼滤波的多控制器最优状态估计控制策略设计方法由于网络带宽以及传输路径的不可靠性,使得状态信息在传递过程中难免会产生数据丢失等问题,因此本文在全状态信息最优控制策略的基础上,提出了基于卡尔曼滤波的多控制器最优状态估计控制策略设计方法。通过卡尔曼滤波算法,利用前一状态信息对当前控制状态进行估计,根据系统初始状态值,使用递推算法,可对系统任意状态进行状态估计,最后根据估计出的状态求解出最优控制策略。通过仿真实验可知,在估计状态下多控制器的系统稳定性明显高于单控制器系统,而对于多控制器的无线网路控制系统中,使用状态估计的系统相比较于全状态信息下的控制系统其抗干扰能力显著提升。
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