[發明專利]一種優化LQG控制與通信功率總消耗的方法

有效

• 申請號: 201310078930.4
• 申請日: 2013-03-12
• 公開（公告）號: CN103179596A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發明（設計）人: 章輝;田垠
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W52/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本發明屬于網絡化控制系統領域，涉及一種優化LQG控制與通信功率總消耗的方法。

背景技術

在網絡化控制系統中，傳感器、控制器、執行器往往分布各處，并通過共享網絡連結成一個整體。這使得系統結構靈活，網絡建造和維護成本降低，因此在許多方面都有應用，如自動公路系統。在自動公路系統中，傳感器對車輛運行及周邊環境狀態進行探測，并傳輸給車載計算機，計算機根據這些信息控制車輛的油門、轉向和剎車，從而實現車輛的自動駕駛。由于信息傳輸采用無線通信技術，因此將面臨多徑衰落。

多徑衰落主要是由無線信道的時變多徑特征引起。根據信道幅度增益的概率分布多徑衰落可分為瑞利衰落、萊斯衰落等；根據信道特征多徑衰落又可分為平坦衰落和頻率選擇性衰落，慢衰落和快衰落。因為多徑衰落的影響，信道的信噪比時刻在發生變化，當信噪比很小時，通信將變得十分不可靠。

通常在設計控制器時，由于噪聲的影響，我們無法得到完美的狀態信息，因此需要進行狀態估計。而由于多徑衰落，數字通信往往存在丟包現象，這容易導致狀態估計器的不穩定。因此，一種可替代的方案是基于模擬通信的放大傳輸策略，此時信息經放大后采用模擬通信的方式進行傳輸。顯然，放大系數越大，信道的信噪比就越大，控制性能就越好，但增大放大系數就意味著增大通信功率，因此放大系數的設計又受到有限功率的約束。基于此，通常設計放大系數的方法是給定最大通信功率，謀求最優控制性能，但這樣做容易導致能源的浪費，即雖然沒有達到功率限制，但若繼續增大通信功率，控制性能的提升將十分有限。

發明內容

本發明的目的是通過設計控制信號、離線設計放大系數使得LQG控制性能與通信功率消耗的總和達到極小，從而實現LQG控制與通信功率總消耗的優化。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種優化LQG控制與通信功率總消耗的方法，主要包括如下步驟：

步驟1：對引導車輛的運動過程進行建模，得到狀態空間模型；

步驟2：傳感器發送導頻信號到車載計算機，計算機根據接收信號估計信道脈沖響應，并由此得到信道幅度增益；

步驟3：傳感器測量得到車輛速度，經放大后通過模擬通信裝置傳輸給車載計算機；

步驟4：針對步驟1的狀態空間模型，考慮LQG控制問題，提出LQG控制性能指標；

步驟5：在步驟4的性能指標中進一步考慮通信功率消耗，得到新的性能指標；

步驟6：基于離線設計放大系數這個前提，根據步驟5的新性能指標設計控制信號；

步驟7：基于步驟6的控制信號設計放大系數；

步驟8：將步驟2、3的測量數據及步驟7的放大系數帶入步驟6得到控制信號，此時步驟5的新性能指標將達到極小，LQG控制與通信功率總消耗將得到優化。

本發明的有益效果是，本發明采用模擬通信傳輸信息，從而避免了狀態估計的不穩定。另外在設計放大系數時將控制與通信過程聯合在一起考慮，通過設計控制信號、離線設計放大系數使得LQG控制性能與通信能量消耗的總和達到極小，從而實現了LQG控制與通信功率總消耗的優化。

附圖說明

圖1是系統結構圖；

圖2是仿真結果圖。

具體實施方式

本發明針對自動公路系統中引導車輛的控制對象，采用簡單的放大傳輸策略傳輸信號，整個系統結構如圖1所示，其中，一種優化LQG控制與通信功率總消耗的方法如下：

步驟1：對自動公路系統中引導車輛的運動過程進行建模，得到狀態空間模型；

參考S.S.Stankovic,M.J.Stanojevic,D.D.Siljak:Stochastic?inclusion?principle?applied?to?decentralized?overlapping?suboptimal?lqg?control?of?a?platoon?of?vehicles,The?International?Conference?on?Computer?as?a?Tool,EUROCON,318–321(2005)中的方法進行建模：