一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术提供一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制方法及系统，包括：通过低通巴特沃斯滤波器模拟前馈信道的带宽，以及高斯有色噪声去模拟信号传输过程中受到的干扰，确定信号跟踪控制系统；基于频域方法，根据传递函数矩阵的互质分解、内外分解和全通分解技术，以及控制器的Youla参数化技术初步确定信号跟踪控制系统的跟踪误差，将跟踪误差拆分为两大部分，第一部分跟踪误差与信号跟踪控制系统所用控制器的参数无关，第二部分跟踪误差与控制器的参数有关；通过选择控制器的参数使得所述第二部分跟踪误差的数值接近零，得到跟踪误差的极限值，确定系统的跟踪性能。本发明专利技术通过选择控制器参数获得了跟踪误差的最小值，即跟踪误差的极限值。差的极限值。差的极限值。

【技术实现步骤摘要】
一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制方法及系统


[0001]本专利技术属于通信信号跟踪控制领域，更具体地，涉及一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制方法及系统。

技术介绍

[0002]目前主要针对传统的多变量离散控制系统的跟踪性能极限问题进行了研究，其中并未结合现代控制技术发展的趋势，即网络化控制技术在众多的工程领域都得到了广泛的应用，网络化控制系统跟踪性能极限的分析与计算面临新的挑战。关键在于传感器、控制器和执行器通过有限带宽的通信信道连接，以有限或无线的方式进行数据信息的传送，因此带宽的限制、通信时延和数据丢包等不可避免的对系统的跟踪性能产生影响，而现有技术中并未针对此进行研究。
[0003]目前还针对网络诱导时延和数据丢包约束下的网络化控制系统的建模和控制问题进行了研究，一方面主要研究的是建模和控制问题，得到的关于系统稳定性的结论只是以线性矩阵不等式的方式呈现，而线性矩阵不等式的解本身就是一个难点。另一方面并未针对网络化控制系统的性能开展研究，稳定是系统正常工作的前提，如何设计最优的控制器以使系统获得好的性能则显得更为重要。
[0004]现有技术还针对高斯噪声影响下的系统跟踪性能极限进行了研究，其局限性在于没有考虑网络化控制系统的典型特征，即传感器、控制器和执行器通信过程中产生的数据丢包，如何定量地揭示数据丢包对系统性能的影响具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制方法及系统，旨在解决现有技术没有针对带宽的限制、通信时延和数据丢包等不可避免的对系统的跟踪性能产生影响研究的问题。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制方法，包括如下步骤：
[0007]通过低通巴特沃斯滤波器模拟前馈信道的带宽，以及高斯有色噪声去模拟信号传输过程中受到的干扰，确定信号跟踪控制系统；
[0008]基于频域方法，根据传递函数矩阵的互质分解、内外分解和全通分解技术，以及控制器的Youla参数化技术初步确定信号跟踪控制系统的跟踪误差，将跟踪误差拆分为两大部分，第一部分跟踪误差与信号跟踪控制系统所用控制器的参数无关，第二部分跟踪误差与所述控制器的参数有关；
[0009]通过选择控制器的参数使得所述第二部分跟踪误差的数值接近零，得到所述跟踪误差的极限值，确定系统的跟踪性能。
[0010]在一个可选的示例中，所述信号跟踪控制系统所用的控制器为双自由度控制器。
[0011]在一个可选的示例中，所述初步确定信号跟踪控制系统的跟踪误差为：
[0012]设系统输入为r，高斯噪声为n，系统输出为y；其中，拉普拉斯变换为v为参考输入信号的方向向量，t为时间，s表示传递函数自变量；
[0013]则系统输入到系统输出的传递函数为：T
ry
(s)＝G(s)F(s)(I
‑
K2(s)G(s)F(s))
‑1K1(s)；
[0014]高斯噪声到系统输出的传递函数为：T
ny
(s)＝G(s)F(s)(I
‑
K2(s)G(s)F(s))
‑1F
‑1(s)H(s)；
[0015]其中，G(s)表示被控对象的传递函数矩阵，F(s)表示通道带宽，并且假设其是稳定的最小相位的传递函数矩阵，K1(s)、K2(s)分别为双自由度控制器参数，H(s)表示有色噪声的传递函数矩阵；
[0016]由双互质分解存在矩阵X,Y,满足双Bezout等式以及双自由度控制器的Youla参数化将两个传递函数化简得：T
ry
(s)＝e
‑
sτ
NQ、
[0017]其中，e
‑
sτ
代表时延，X,Y,N,M,N(s)和M(s)为G(s)F(s)经右互质分解得到的两个因子，M
‑1(s)为M(s)的逆矩阵，和为G(s)F(s)经左互质分解得到的两个因子，为的逆矩阵；M为M(s)的简写，N为N(s)的简写，表示任何能够使多输入多输出系统稳定的控制器集合，R、Q表示双自由度控制器的两个参数矩阵；
[0018]由系统模型初步确定信号跟踪控制系统跟踪误差J的表达式为：
[0019][0020]其中，V为由有色噪声的功率谱密度得到的对角矩阵。
[0021]在一个可选的示例中，所述将跟踪误差拆分为两大部分，第一部分跟踪误差与信号跟踪控制系统所用控制器的参数无关，第二部分跟踪误差与所述控制器的参数有关，具体为：
[0022]设J＝J1+J2；
[0023][0024][0025]所述通过求解出控制器的参数使得所述第二部分跟踪误差的数值接近零，具体为：
[0026]计算J1的极限值
[0027]由于N＝L
z
N
m
，L
z
为全通因子，包含了被控对象的非最小相位零点z
i
,i＝1,2,...,k，L(s)可以分解为：N
m
非最小相位因子，包含了对象所有的最小相位零点，化简得：
[0028][0029]其中，k为非最小相位零点个数，L(s)为全通因子，L
i
(s)为L(s)分解的级联因子，η
i
为非最小相位零点方向，上标H表示共轭转置，上标
‑
1表示逆矩阵，z
i
为非最小相位零点，为非最小相位零点的共轭，η
i
为非最小相位零点的方向向量，Re(z
i
)为非最小相位零点的实部，N
m
(s)为最小相位因子，Q(s)为控制器参数；
[0030]因为N
m
(s)右可逆，则通过可以选择合适的控制器参数Q使得：所以
[0031]将L
i
(s)代入其中得经过一个简单地计算得：又因为根据上式可以计算出根据上式可以计算出
[0032]参照以上方式得到J2的极限值
[0033][0034]其中，
[0035]式中，z
j
为另一个非相位零点，为对进行全通分解得到的非最小零点的方向的共轭转置，为U
i
的共轭转置，V
H
为V的共轭转置，H
H
(z
i
)为含非小相位零点的有色噪声的传递函数矩阵的转置，F
‑
H
(z
i
)为含非小相位零点的带宽传递函数矩阵的逆转置，为G
m
(z
i
)的共轭转置，G
m
(z
j
)为针对被控对象传递函数矩阵进行互质分解得到的新的传递函数矩阵，F
‑1(z
j
)为含非小相位零点的带宽传递函数矩阵的逆矩阵，H(z
j
)为含
非小相位零点的有色噪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：通过低通巴特沃斯滤波器模拟前馈信道的带宽，以及高斯有色噪声去模拟信号传输过程中受到的干扰，确定信号跟踪控制系统；基于频域方法，根据传递函数矩阵的互质分解、内外分解和全通分解技术，以及控制器的Youla参数化技术初步确定信号跟踪控制系统的跟踪误差，将跟踪误差拆分为两大部分，第一部分跟踪误差与信号跟踪控制系统所用控制器的参数无关，第二部分跟踪误差与所述控制器的参数有关；通过选择控制器的参数使得所述第二部分跟踪误差的数值接近零，得到所述跟踪误差的极限值，确定系统的跟踪性能。2.根据权利要求1所述的信号跟踪控制方法，其特征在于，所述信号跟踪控制系统所用的控制器为双自由度控制器。3.根据权利要求2所述的信号跟踪控制方法，其特征在于，所述初步确定信号跟踪控制系统的跟踪误差为：设系统输入为r，高斯噪声为n，系统输出为y；其中，拉普拉斯变换为v为参考输入信号的方向向量，t为时间，s表示传递函数自变量；则系统输入到系统输出的传递函数为：T
ry
(s)＝G(s)F(s)(I
‑
K2(s)G(s)F(s))
‑1K1(s)；高斯噪声到系统输出的传递函数为：T
ny
(s)＝G(s)F(s)(I
‑
K2(s)G(s)F(s))
‑1F
‑1(s)H(s)；其中，G(s)表示被控对象的传递函数矩阵，F(s)表示通道带宽，并且假设其是稳定的最小相位的传递函数矩阵，K1(s)、K2(s)分别为双自由度控制器参数，H(s)表示有色噪声的传递函数矩阵；由双互质分解存在矩阵X,Y,存在矩阵X,Y,满足双Bezout等式以及双自由度控制器的Youla参数化将两个传递函数化简得：T
ry
(s)＝e
‑
sτ
NQ、其中，e
‑
sτ
代表时延，X,Y,N,M,代表时延，X,Y,N,M,N(s)和M(s)为G(s)F(s)经右互质分解得到的两个因子，M
‑1(s)为M(s)的逆矩阵，和为G(s)F(s)经左互质分解得到的两个因子，为的逆矩阵；M为M(s)的简写，N为N(s)的简写，表示任何能够使多输入多输出系统稳定的控制器集合，R、Q表示双自由度控制器的两个参数矩阵；由系统模型初步确定信号跟踪控制系统跟踪误差J的表达式为：
其中，V为由有色噪声的功率谱密度得到的对角矩阵。4.根据权利要求3所述的信号跟踪控制方法，其特征在于，所述将跟踪误差拆分为两大部分，第一部分跟踪误差与信号跟踪控制系统所用控制器的参数无关，第二部分跟踪误差与所述控制器的参数有关，具体为：设J＝J1+J2；；所述通过求解出控制器的参数使得所述第二部分跟踪误差的数值接近零，具体为：计算J1的极限值由于N＝L
z
N
m
，L
z
为全通因子，包含了被控对象的非最小相位零点z
i
,i＝1,2,...,k，L(s)可以分解为：N
m
非最小相位因子，包含了对象所有的最小相位零点，化简得：其中，k为非最小相位零点个数，L(s)为全通因子，L
i
(s)为L(s)分解的级联因子，η
i
为非最小相位零点方向，上标H表示共轭转置，上标
‑
1表示逆矩阵，z
i
为非最小相位零点，为非最小相位零点的共轭，η
i
为非最小相位零点的方向向量，Re(z
i
)为非最小相位零点的实部，N
m
(s)为最小相位因子，Q(s)为控制器参数；因为N
m
(s)右可逆，则通过可以选择合适的控制器参数Q使得：所以将L
i
(s)代入其中得经过一个简单地计算得：又因为根据上式可以计算出根据上式可以计算出
参照以上方式得到J2的极限值的极限值其中，式中，z
j
为另一个非相位零点，为对进行全通分解得到的非最小零点的方向的共轭转置，为U
i
的共轭转置，V
H
为V的共轭转置，H
H
(z
i
)为含非小相位零点的有色噪声的传递函数矩阵的转置，F
‑
H
(z
i
)为含非小相位零点的带宽传递函数矩阵的逆转置，为G
m
(z
i
)的共轭转置，G
m
(z
j
)为针对被控对象传递函数矩阵进行互质分解得到的新的传递函数矩阵，F
‑1(z
j
)为含非小相位零点的带宽传递函数矩阵的逆矩阵，H(z
j
)为含非小相位零点的有色噪声的传递函数矩阵，U
j
为U
i
为ζ
j
为对进行全通分解得到的非最小零点的方向向量，为ζ
j
的共轭转置，G
j
为G
i
为ζ
i
为非最小相位零点的方向向量，φ
i
(s)为针对进行全通分解的得到的全通因子，θ
i
为满足的向量，为θ
i
的共轭转置，φ
l
为全通因子，ζ
l
为非最小相位零点的方向向量，θ
l
为满足的向量，为θ
l
的共轭转置，z
l
为另一非最小相位零点，5.根据权利要求4所述的信号跟踪控制方法，其特征在于，当通过低通巴特沃斯滤波器模拟前馈信道的带宽，以及高斯有色噪声去模拟信号在前馈信道传输过程中受到的干扰时，所述系统的跟踪性能J
*
为：6.一种通信受限网络化系统的信号跟踪控制系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜晓伟，曹爽，张斌，
申请(专利权)人：中国地质大学武汉，
类型：发明
国别省市：