[發明專利]一種基于卡爾曼濾波的多控制器最優狀態估計控制策略設計方法

有效

• 申請號: 201711397842.5
• 申請日: 2017-12-21
• 公開（公告）號: CN108153259B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發明（設計）人: 陳雅雯;王朱偉;張延華;方超
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發明公開一種基于卡爾曼濾波的多控制器最優狀態估計策略設計方法，首先針對無線網絡化控制系統進行系統建模，分析了網絡化控制系統中存在網絡傳輸時延對系統閉環控制的影響；其次，研究分布式控制器的信息融合，構建基于分布式雙控制器的網絡控制最優化問題；最后，采用卡爾曼濾波算法，對雙控制器接收到的平臺狀態信息進行卡爾曼濾波分析，進而利用迭代遞歸方法求解得到最優狀態估計控制策略，并通過仿真實驗驗證其可行性。該發明利用卡爾曼濾波算法及迭代遞歸方法，解決了當無線通信網絡中存在傳輸時延以及受噪聲干擾無法獲得準確的平臺狀態信息時，分布式控制器的最優狀態估計控制策略問題，從而實現了利用分布式多控制器協同控制，達到提高網絡化控制系統穩定性及減小系統損耗的目的。

技術領域

本發明屬于無線網絡化控制技術領域，尤其涉及一種基于卡爾曼濾波的多控制器最優狀態估計控制策略設計方法。

背景技術

近些年來，無線網絡化控制系統隨著控制技術、網絡通信技術以及計算機網絡技術的蓬勃發展而越來越受到廣大研究學者的關注與青睞。基于無線網絡的網絡化控制系統(networked control system，NCS)實際是指在傳感器、控制器以及執行器之間，通過無線通信網絡構成一個或者多個控制閉環，同時具備信號處理、優化決策和控制操作等功能。控制器可以分布在無線網絡中各個不同的地點，打破了傳統基于有線網絡的網絡控制系統在物理空間位置上的局限性，提高了信息集成度。

然而隨著無線網絡化控制系統的高速發展，網絡中存在的網絡時延等無線網絡特性嚴重影響了網絡化控制系統的穩定性，對網絡化控制系統的研究帶來了極大地挑戰。目前，已有一些學者比較系統地分析了網絡時延對系統穩定性的影響，同時，基于單控制器的無線網絡化控制系統，提出了基于平臺狀態估計的最優控制策略。但是，基于分布式多控制器的無線網絡化控制系統中，基于平臺狀態估計的最優控制策略一直是尚未解決的問題。因此，本發明對無線網絡化控制系統的平臺估計狀態進行了研究，針對存在網絡傳輸時延的無線網絡化控制系統，提出了基于分布式多控制器的最優控制策略設計方法。首先，建立基于分布式控制器的無線網絡化控制系統模型，并采用卡爾曼濾波算法對平臺狀態信號進行估計，然后通過線性二次最優控制方程推導出平臺最優估計信號，繼而利用迭代遞歸方法得出控制器最優控制策略，最終通過仿真驗證本發明提出的基于分布式控制器的最優控制策略的可行性及性能優勢。

發明內容

本發明要解決的技術問題是，提供一種基于卡爾曼濾波的多控制器最優狀態估計控制策略設計方法，基于分布式多控制器的網絡化控制系統中，考慮存在網絡傳輸時延的基于雙控制器的控制系統中，應用卡爾曼濾波算法對平臺信號進行估計，并通過線性二次最優控制策略方程求解出最優控制策略，從而有效的提高網絡化控制系統穩定性及系統性能。

為解決上述問題，本發明采用如下的技術方案：

一種基于卡爾曼濾波的分布式雙控制器最優狀態估計策略設計方法，包括以下步驟：

步驟1、建立系統模型

分布式網絡化控制系統包含傳感器、控制器、執行器以及平臺；傳感器、控制器以及執行器之間，通過無線通信網絡構成一個閉環控制系統，信號通過傳感器節點后，通過網絡傳輸到分布式雙控制器節點，控制器的控制策略信號再通過網絡傳送到執行器，從而作用到被控平臺上，實現閉環狀態反饋控制，維持系統的閉環穩定控制；

步驟2、確定基于分布式雙控制器的網絡控制最優化問題

根據網絡時延特性對分布式控制節點的影響，對分布式雙控制器實現信息融合，選擇二次代價效用函數，建立基于分布式雙控制器的網絡控制最優化問題；

步驟3、采用卡爾曼濾波算法及迭代遞歸方法求解最優狀態估計控制策略，包括以下步驟：

步驟3.1、基于雙控制器的互通性，分析控制器間的控制信息融合；