邵奇可，解　洋，張　江，洑佳紅

(浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023)

具有通信約束的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)LQG控制器設(shè)計(jì)

邵奇可，解洋，張江，洑佳紅

(浙江工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310023)

摘要：針對(duì)一類(lèi)具有噪聲影響的通信受限多輸入、多輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，利用非均勻采樣方式將其建模為一類(lèi)集控制與調(diào)度為一體的網(wǎng)絡(luò)化控制模型，根據(jù)卡爾曼濾波器思想設(shè)計(jì)了最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)器和最優(yōu)保性能輸出反饋控制器并在此基礎(chǔ)上給出系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的充分條件.通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提算法的可行性.該設(shè)計(jì)方法特別適用于通信受限情況下，系統(tǒng)存在多種信號(hào)類(lèi)型時(shí)，可方便的根據(jù)不同信號(hào)特征設(shè)置系統(tǒng)的采樣周期和調(diào)度周期，從而克服原離散周期性時(shí)變系統(tǒng)的控制器受通信序列周期性約束問(wèn)題，避免多個(gè)控制器周期性切換，增加控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力和整體性能.

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；通信受限；線性矩陣不等式；卡爾曼濾波；LQG最優(yōu)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4303(2015)01-0103-07

LQG controller design for networked control systems with

communication constraints

SHAO Qike, XIE Yang, ZHANG Jiang, FU Jiahong

(College of Computer Science and Technology, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)

Abstract:The problem of LQG controller design for a class of MIMO networked control systems (NCSs) with limited communication and noise is studied in this paper. Firstly, a new network control model for the integration of control and scheduling is established by using non-uniform sampling method. Secondly, according to the design method of the Kalman filtering, an optimal state estimator based on the output value and the corresponding optimal guaranteed cost output feedback controller is proposed. An sufficient condition for asymptotic stability of the system is given. Finally, the simulation verifies the feasibility of the proposed algorithm.The design method is particularly applicable to the case under limited communication. When the system has a variety of signal types in the networked control systems, it will be convenient to set the sampling periods and scheduling periods according to the feature of each signal. It will overcome the problem of the controllers in original discrete periodically varying systems constrained periodically by communication sequence. It will avoid periodically switching among multiple controllers, increase the design freedom of control system, and improve the system dynamical reconfiguration capability and overall performance.

Keywords:networked control system; communication constraints; linear matrix inequalities; Kalman filtering; LQG optimal control

通過(guò)共享網(wǎng)絡(luò)形成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[1-3]，其中，傳感器，控制器，執(zhí)行器之間的信息傳輸是通過(guò)共享式數(shù)字網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換的.網(wǎng)絡(luò)的介入給控制系統(tǒng)帶來(lái)諸多的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也不可避免地給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析帶來(lái)更多的挑戰(zhàn).有限的帶寬，數(shù)據(jù)包的傳輸速率和長(zhǎng)度以及介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議等都會(huì)給網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能帶來(lái)影響[4].因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已不再適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，需要探索新的設(shè)計(jì)方法.針對(duì)通信受限帶來(lái)的問(wèn)題，現(xiàn)有的研究結(jié)果大致可分為以下幾類(lèi)：第一類(lèi)方法的主要思想是將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(Quality of serviece，QoS)對(duì)系統(tǒng)控制性能(Quality of performance，QoP)的影響抽象為具有不同特性的時(shí)延、丟包等因素，忽略網(wǎng)絡(luò)的存在并按常規(guī)方法設(shè)計(jì)控制器[5-9].這類(lèi)方法主要側(cè)重于NCSs中控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的保證，但不利于提高系統(tǒng)的總體性能.第二類(lèi)則是從QoS角度出發(fā)研究調(diào)度策略，即從通信技術(shù)的角度研究合適的信息傳輸方式或帶寬配置策略等，確保事先設(shè)計(jì)好的控制算法的有效實(shí)施[10-11].這類(lèi)方法將控制性能要求簡(jiǎn)單定義為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性及可靠性，因而不能完全了解控制系統(tǒng)的總體性能[12].

以上方法為降低控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，往往忽略控制器和調(diào)度器設(shè)計(jì)的耦合性，因而對(duì)于保證系統(tǒng)的總體性能尚存不足.第三類(lèi)方法通過(guò)對(duì)NCSs中的控制與通信問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮以解決這一問(wèn)題，稱為控制與調(diào)度的協(xié)同設(shè)計(jì)方法[13-15].現(xiàn)有系統(tǒng)一般采用統(tǒng)一采樣頻率.然而，實(shí)際應(yīng)用中諸多被控對(duì)象往往存在多種信號(hào)類(lèi)型(如電機(jī)控制里同時(shí)具有溫度，轉(zhuǎn)速，電流等快變或慢變信號(hào))及控制系統(tǒng)對(duì)不同信號(hào)量存在不同的控制要求.因此針對(duì)通信受限的多輸入、多輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，根據(jù)其不同信號(hào)的不同特點(diǎn)，通過(guò)采用信號(hào)量非均勻采樣(Non-uniform sampled-data)[16-17]的方式將其建模為集成控制與調(diào)度為一體的離散周期性系統(tǒng).進(jìn)而，根據(jù)Kalman濾波器思想設(shè)計(jì)了基于輸出值的最優(yōu)狀態(tài)估計(jì)器，并基于線性矩陣不等式方法給出了最優(yōu)保性能控制器的設(shè)計(jì)方法.

1通信受限NCSs模型

考慮一類(lèi)通信受限的多輸入、多輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.假設(shè)被控對(duì)象為具有m個(gè)輸入和r個(gè)輸出的離散線性時(shí)不變系統(tǒng)，可用狀態(tài)方程描述為

(1)

其中：T為系統(tǒng)采樣周期；x(kT)∈Rn，u(kT)∈Rm，y(kT)∈Rr分別為系統(tǒng)的狀態(tài)向量、控制輸入向量以及測(cè)量輸出向量；A∈Rn×n，B∈Rn×m，C∈Rr×n分別為適當(dāng)維數(shù)的系數(shù)矩陣；過(guò)程噪聲ω(kT)，測(cè)量噪聲v(kT)服從高斯獨(dú)立同分布，且滿足ω(kT)～N(0,G)，v(kT)～N(0,Ir×r)，其中Ir×r為r×r維單位矩陣，G為n×n維正定矩陣.同時(shí)假定系統(tǒng)初始狀態(tài)x(0)滿足x(0)～N(x0,P0).

圖1　介質(zhì)訪問(wèn)約束NCSs系統(tǒng)模型Fig.1　Diagram of NCSs with communication constraints

假設(shè)每個(gè)采樣周期內(nèi)，NCSs中僅有有限個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù).如圖1中被控對(duì)象具有m個(gè)輸入和r個(gè)輸出，其中m個(gè)執(zhí)行器共享輸入通道，r個(gè)傳感器共享輸出通道，由于介質(zhì)訪問(wèn)約束共享輸入通道數(shù)通常小于m個(gè)，而共享輸出通道數(shù)小于r個(gè)，即在每個(gè)采樣周期T內(nèi)，r個(gè)傳感器共享bs(1≤bs

1.1通信受限特性描述

為了給出通信受限的NCSs模型，首先給出如下定義：

定義1定義二值函數(shù)σβ(t)∈{0,1}(j∈1,2,…,m)和δα(t)∈{0,1}(i∈1,2,…,r)分別代表t時(shí)刻系統(tǒng)執(zhí)行器和傳感器的工作狀態(tài).若σj(t)=1，則表示第β路控制輸入uβ在t時(shí)刻被更新；否則，則表示uβ在t時(shí)刻不被更新.同理，若δα(t)=1，則表示第α路采樣輸出yα在t時(shí)刻能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制器；否則，則表示yα在t時(shí)刻不能傳輸至控制器.

根據(jù)定義2，3，此類(lèi)通信受限NCSs的網(wǎng)絡(luò)資源約束條件可以表示為

?k1,k2,i∈[0,N1-1],j∈[0,N2-1],

(2)

舉例說(shuō)明，令δ(t)=[1,1,0,1]T時(shí)，則

舉例說(shuō)明，令σ(t)=[1,1,0,1]T時(shí)，則

1.2系統(tǒng)模型

采用提升技術(shù)[19]來(lái)推導(dǎo)系統(tǒng)模型，假設(shè)系統(tǒng)模型如式(1)所示，令N為更新序列周期N1和采樣序列周期N2的最小公倍數(shù)，即

N=LCM(N1,N2)

同時(shí)，令T0=NT，則T0為幀周期，即整個(gè)系統(tǒng)的循環(huán)周期.

由式(1)可得，在不考慮噪聲的情況下可得離散化模型，即

同理，遞推可得

依此類(lèi)推，可得

令系統(tǒng)的控制輸入向量、測(cè)量輸出向量的增廣形式分別為

同理，分別令控制器輸入向量和輸出向量的增廣形式分別為

(3)

(4)

其中：

(5)

其中：

Ar=AN，Br=[AN-1B…ABB]

2系統(tǒng)LQG控制器設(shè)計(jì)

最優(yōu)LQG控制器的具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.考慮被控對(duì)象的過(guò)程干擾和測(cè)量干擾，系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)可分為兩步：

圖2　具有LQG控制器的NCSs結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Diagram of NCSs with LQG controller

2.1狀態(tài)估計(jì)器設(shè)計(jì)

假設(shè)濾波器的估計(jì)狀態(tài)形式為

(6)

(7)

將式(7)兩端取期望值，可得

(8)

定義狀態(tài)估計(jì)誤差的協(xié)方差為

(9)

根據(jù)式(7~9)可得

(10)

極小化這個(gè)協(xié)方差矩陣可得到最優(yōu)的增益矩陣和協(xié)方差矩陣分別為

(11)

(12)

綜上所述，由式(6，11，12)構(gòu)成了系統(tǒng)的狀態(tài)估計(jì)算法.

2.2最優(yōu)狀態(tài)反饋控制器

為求解控制器增益K，可以考慮式(5)所對(duì)應(yīng)確定系統(tǒng)的LQG問(wèn)題，即不考慮噪聲干擾的情況.假設(shè)沒(méi)有噪聲干擾的系統(tǒng)狀態(tài)空間模型為

(13)

設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制器為

(14)

同時(shí)，考慮控制器設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)為

(15)

其中：Q和R分別為已知的正定加權(quán)矩陣.

引理1[20]對(duì)于式(13，15)，存在對(duì)稱正定矩陣P>0和矩陣K，使以下矩陣不等式成立時(shí)，即

(16)

定理1當(dāng)且僅當(dāng)存在矩陣Y和對(duì)稱正定矩陣X>0，使得以下線性矩陣不等式成立時(shí)，即

(17)

證明由引理1可知：當(dāng)式(16)成立時(shí)，式(13)存在一個(gè)保性能控制器.根據(jù)Schur補(bǔ)性質(zhì)可知式(16)等價(jià)于

(18)

在式(18)的左右兩端分別乘上矩陣diag{P-1,I,I,I}，并取X=P-1，Y=KP-1即可得到矩陣不等式(17).定理得證.

式(17)是關(guān)于變量X和Y的一個(gè)線性矩陣不等式，因此可以利用LMI工具箱中的求解器feasp來(lái)求解此線性矩陣不等式的可行性問(wèn)題，并利用得到的可行解來(lái)構(gòu)造所求的二次保性能控制律.

定理2對(duì)給定的式(13，15)，有

(19)

針對(duì)一個(gè)存在通信受限的多輸入多輸出被控對(duì)象設(shè)計(jì)輸出反饋LQG控制器的主要步驟如下：

Step 1在滿足約束條件的前提下，選擇適當(dāng)?shù)牟蓸有蛄泻透滦蛄幸员ＷC系統(tǒng)的能控性和能觀性不變.

Step 2根據(jù)式(5)確定系統(tǒng)增廣狀態(tài)空間模型的系統(tǒng)矩陣.

Step 4根據(jù)定理2，利用LMI工具箱中的求解器mincx求解線性矩陣不等式(19)，得到狀態(tài)反饋控制器式(14)的增益矩陣K.

3仿真結(jié)果

考慮一個(gè)控制系統(tǒng)，其離散狀態(tài)空間模型為

下面分別考慮在兩種不同的調(diào)度策略下，系統(tǒng)控制性能指標(biāo)的變化.

1) 根據(jù)約束條件選取以下更新序列和采樣序列，即

其中更新序列周期Tu等于采樣序列周期Ty，即N1=N2=2，則系統(tǒng)的幀周期T0=2T.

圖4　狀態(tài)估計(jì)誤差曲線Fig.4　The error curves of the state estimation

圖5　系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)曲線Fig.5　The state response curves

2) 同理，根據(jù)約束條件選取以下更新序列和采樣序列為

{[1,0]T,[1,0]T,[0,1]T}

{[1,0]T,[1,0]T,[0,1]T}

圖6　狀態(tài)估計(jì)誤差曲線Fig.6　The error curves of the state estimation

圖7　系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)曲線Fig.7　The state response curves

從仿真結(jié)果可以看出：對(duì)于相同通信通道約束條件，選擇不同的調(diào)度策略，可以得到不同的系統(tǒng)性能指標(biāo).因此，調(diào)度策略的選取同樣能夠影響系統(tǒng)的性能.

4結(jié)論

針對(duì)通信受限的多輸入、多輸出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，研究了LQG控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，分析了由于網(wǎng)絡(luò)受限給系統(tǒng)建模帶來(lái)的影響.采用提升技術(shù)建立了通信受限NCSs的增廣狀態(tài)空間模型，此模型集成了調(diào)度信息，并同時(shí)保持了原被控對(duì)象的時(shí)不變性質(zhì)，為控制器分析提供了方便.接著，根據(jù)輸出值設(shè)計(jì)了基于Kalman濾波思想的狀態(tài)估計(jì)器以提供狀態(tài)估計(jì)最優(yōu)值，利用LMI分析了系統(tǒng)保性能控制器的設(shè)計(jì)方法.該方法特別適用于被控對(duì)象存在不同類(lèi)型控制信號(hào)的情況下，可方便地針對(duì)不同信號(hào)的特征設(shè)計(jì)相應(yīng)的采樣頻率和通信序列，其控制設(shè)計(jì)的自由度和動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力都能有效提高，而且更方便系統(tǒng)采樣周期調(diào)度和工程化實(shí)施.

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(責(zé)任編輯：劉巖)

作者簡(jiǎn)介：邵奇可(1977—)，男，浙江舟山人，副教授，博士，研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，E-mail：sqk@zjut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61104095)

收稿日期：2014-10-24