本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制領(lǐng)域，具體涉及一種離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代控制系統(tǒng)逐步網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、信息化的大趨勢(shì)下，ncs已成為控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在ncs中，網(wǎng)絡(luò)延遲是不可避免的，這種延遲可能導(dǎo)致其系統(tǒng)性能下降甚至不穩(wěn)定。因此，如何在保證穩(wěn)定性的同時(shí)盡可能地容忍最大延遲是這類研究的重點(diǎn)。

2、早期的研究使用lyapunov-krasovskii(lk)方法來(lái)研究時(shí)滯系統(tǒng)的均方穩(wěn)定性。后來(lái)，通過(guò)改進(jìn)lk方法，給出了時(shí)滯相關(guān)的穩(wěn)定性條件。然而，這些研究關(guān)注的是連續(xù)時(shí)間ncs而不是離散時(shí)間ncs。后來(lái)，通過(guò)引入自由權(quán)矩陣，建立了一些改進(jìn)的時(shí)滯相關(guān)穩(wěn)定性判據(jù)。提出了改進(jìn)自由權(quán)矩陣法和改進(jìn)lk法，并將結(jié)果推廣到離散系統(tǒng)。然而，上述結(jié)果被動(dòng)地處理時(shí)間延遲，導(dǎo)致應(yīng)用程序受到限制。

3、目前，在ncs的研究中，提出了一種能夠主動(dòng)補(bǔ)償時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制方法較低的保守主義。該方法的核心思想是通過(guò)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的未來(lái)行為來(lái)計(jì)算未來(lái)的控制策略，并通過(guò)延遲補(bǔ)償器主動(dòng)補(bǔ)償延遲對(duì)系統(tǒng)的影響。有時(shí)，工業(yè)系統(tǒng)中的精確模型很難獲得，大量可能包含潛在有用信息的過(guò)程數(shù)據(jù)被保存下來(lái)。因此，研究者將npc方法與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制方法結(jié)合，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的npc策略，如類pid預(yù)測(cè)控制、無(wú)模型自適應(yīng)npc等。但上述方法都有其適用范圍，完全摒棄了基于模型控制理論的研究分析方法。

4、為了利用先驗(yàn)知識(shí)，研究者在研究中對(duì)數(shù)據(jù)與模型的結(jié)合進(jìn)行了很多探索。基于數(shù)據(jù)和基于模型的結(jié)合可以利用它們的優(yōu)勢(shì)。這類方法最初被稱為系統(tǒng)辨識(shí)，是指對(duì)未知系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行推斷和建模的過(guò)程。目標(biāo)是通過(guò)分析系統(tǒng)輸入和輸出之間的關(guān)系來(lái)獲得系統(tǒng)的內(nèi)部機(jī)制。第一種方法是參數(shù)化，先假設(shè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為可以用一組參數(shù)化的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，然后使用實(shí)際的輸入和輸出數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)這些參數(shù)，通過(guò)最小化參數(shù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間的誤差，可以得到系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的估計(jì)。參數(shù)化方法的優(yōu)點(diǎn)是模型結(jié)構(gòu)清晰，但需要提前選擇模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)。第二種是非參數(shù)化方法，通過(guò)分析和處理數(shù)據(jù)來(lái)推斷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。非參數(shù)化方法更靈活，不需要事先選擇特定的數(shù)學(xué)模型，但在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)可能比參數(shù)化方法更耗時(shí)。第三種是子空間法，通過(guò)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分解或降維，從信號(hào)的子空間中提取系統(tǒng)的重要特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的建模。

5、后來(lái)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行重組，結(jié)合穩(wěn)定性理論，提出了一種基于過(guò)程數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性判別方法和一種穩(wěn)定控制器設(shè)計(jì)方法。然而，當(dāng)處理具有時(shí)間延遲的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)，這種方法變得更加復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，設(shè)計(jì)合理，克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，具有良好的效果。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，采用傳感器、控制器、執(zhí)行器；包括如下步驟：

4、s1：收集正常的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，制作模型參數(shù)和時(shí)滯未知的ncs；

5、s2：將傳感器采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)打包發(fā)送給控制器，對(duì)控制器端計(jì)算步長(zhǎng)預(yù)測(cè)；

6、s3：將預(yù)測(cè)控制信號(hào)發(fā)送到執(zhí)行器，執(zhí)行器側(cè)網(wǎng)絡(luò)延遲補(bǔ)償器根據(jù)延遲大小選擇合適的控制律；

7、s4：將基于模型的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為基于數(shù)據(jù)的形式，得到進(jìn)一步預(yù)測(cè)和狀態(tài)反饋控制器增益，并計(jì)算未來(lái)步的狀態(tài)預(yù)測(cè)；

8、s5：數(shù)值算例，進(jìn)行仿真結(jié)果分析。

9、優(yōu)選地，s1中，考慮前饋和反饋通道均有延遲，將時(shí)延統(tǒng)一定義為d＝dsc+dca，其中dsc為反饋通道的時(shí)延，dca為前向通道的時(shí)延。

10、優(yōu)選地，s2中，在控制器端計(jì)算步長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)，是假定的延遲上界，如果采用狀態(tài)反饋控制器，則進(jìn)一步預(yù)測(cè)為：

11、

12、對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)反饋控制器表示為：

13、u(k-d)＝u0,1,nq(x0,nq)-1x(k-d)＝kx(k-d)；

14、式中，x(k-d)為執(zhí)行器在時(shí)刻k接收到的數(shù)據(jù)，k通過(guò)lmi方法求得；

15、λ＝x1,nq(x0,nq)-1,k＝u0,1,nq(x0,nq)-1及λ的特征值均位于單位圓內(nèi)。

16、優(yōu)選地，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)反饋控制器根據(jù)實(shí)際時(shí)延d的大小選取，具體表示為u(k)＝λdkx(k-d)。

17、優(yōu)選地，s4中將基于模型的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為基于數(shù)據(jù)的形式：其中，為狀態(tài)向量的一步預(yù)測(cè)；在得到進(jìn)一步預(yù)測(cè)和狀態(tài)反饋控制器增益后，基于假設(shè)的延遲上界計(jì)算未來(lái)步的狀態(tài)預(yù)測(cè)：

18、其中，延時(shí)滿足條件

19、在時(shí)滯影響下，滿足以下條件則系統(tǒng)時(shí)漸近穩(wěn)定的：

20、其中，

21、優(yōu)選地，s5中進(jìn)行數(shù)值算例，先設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)a、b的值，假設(shè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲為10步并設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)值x(0)、u(0)，得到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器增益k，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

22、本發(fā)明所帶來(lái)的有益技術(shù)效果：

23、本發(fā)明方法研究了具有時(shí)滯的未知參數(shù)ncs的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制問(wèn)題，基于漢克爾矩陣，給出了閉環(huán)未知參數(shù)ncs的數(shù)據(jù)相關(guān)穩(wěn)定性條件；然后，提出了一種基于數(shù)據(jù)的lmi算法來(lái)設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測(cè)控制器；最后給出了仿真結(jié)果，驗(yàn)證了所提策略的有效性。本發(fā)明方法可以有效地補(bǔ)償時(shí)延的影響。

技術(shù)特征：

1.一種離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于：采用傳感器、控制器、執(zhí)行器；包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于：s1中，考慮前饋和反饋通道均有延遲，將時(shí)延統(tǒng)一定義為d＝dsc+dca，其中dsc為反饋通道的時(shí)延，dca為前向通道的時(shí)延。

3.如權(quán)利要求1所述的離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于：s2中，在控制器端計(jì)算步長(zhǎng)預(yù)測(cè)時(shí)，是假定的延遲上界，如果采用狀態(tài)反饋控制器，則進(jìn)一步預(yù)測(cè)為：

4.如權(quán)利要求3所述的離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)反饋控制器根據(jù)實(shí)際時(shí)延d的大小選取，具體表示為u(k)＝λdkx(k-d)。

5.如權(quán)利要求1所述的離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于：s4中將基于模型的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為基于數(shù)據(jù)的形式：其中，為狀態(tài)向量的一步預(yù)測(cè)；在得到進(jìn)一步預(yù)測(cè)和狀態(tài)反饋控制器增益后，基于假設(shè)的延遲上界計(jì)算未來(lái)步的狀態(tài)預(yù)測(cè)：

6.如權(quán)利要求1所述的離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于：s5中進(jìn)行數(shù)值算例，先設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)a、b的值，假設(shè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲為10步并設(shè)置系統(tǒng)初始狀態(tài)值x(0)、u(0)，得到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制器增益k，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種離散網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制方法，屬于網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制領(lǐng)域。本發(fā)明討論了具有通信延遲和模型參數(shù)未知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制問(wèn)題；通過(guò)構(gòu)造漢克爾矩陣，設(shè)計(jì)了一種新的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)預(yù)測(cè)控制算法，以保證閉環(huán)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響下的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)據(jù)庫(kù)的線性矩陣不等式方法來(lái)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)化預(yù)測(cè)控制器；數(shù)值算例表明，該方法在主動(dòng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的同時(shí)，可以達(dá)到與傳統(tǒng)方法相似的效果。

技術(shù)研發(fā)人員：張冀,王偉榮,趙景波,周玉國(guó),呂浩華
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15