一种优化LQG控制与通信功率总消耗的方法技术

本发明专利技术公开了一种优化LQG控制与通信功率总消耗的方法，该方法针对自动公路系统中引导车辆的控制问题，采用简单的放大传输策略，通过设计控制信号、离线设计放大系数使得LQG控制性能与通信功率消耗的总和达到极小，从而实现LQG控制与通信功率总消耗的优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于网络化控制系统领域，涉及一种优化LQG控制与通信功率总消耗的方法。
技术介绍
在网络化控制系统中，传感器、控制器、执行器往往分布各处，并通过共享网络连结成一个整体。这使得系统结构灵活，网络建造和维护成本降低，因此在许多方面都有应用，如自动公路系统。在自动公路系统中，传感器对车辆运行及周边环境状态进行探测，并传输给车载计算机，计算机根据这些信息控制车辆的油门、转向和刹车，从而实现车辆的自动驾驶。由于信息传输采用无线通信技术，因此将面临多径衰落。多径衰落主要是由无线信道的时变多径特征引起。根据信道幅度增益的概率分布多径衰落可分为瑞利衰落、莱斯衰落等；根据信道特征多径衰落又可分为平坦衰落和频率选择性衰落，慢衰落和快衰落。因为多径衰落的影响，信道的信噪比时刻在发生变化，当信噪比很小时，通信将变得十分不可靠。通常在设计控制器时，由于噪声的影响，我们无法得到完美的状态信息，因此需要进行状态估计。而由于多径衰落，数字通信往往存在丢包现象，这容易导致状态估计器的不稳定。因此，一种可替代的方案是基于模拟通信的放大传输策略，此时信息经放大后采用模拟通信的方式进行传输。显然，放大系数越大，信道的信噪比就越大，控制性能就越好，但增大放大系数就意味着增大通信功率，因此放大系数的设计又受到有限功率的约束。基于此，通常设计放大系数的方法是给定最大通信功率，谋求最优控制性能，但这样做容易导致能源的浪费，即虽然没有达到功率限制，但若继续增大通信功率，控制性能的提升将十分有限。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过设计控制信号、离线设计放大系数使得LQG控制性能与通信功率消耗的总和达到极小，从而实现LQG控制与通信功率总消耗的优化。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的:一种优化LQG控制与通信功率总消耗的方法，主要包括如下步骤:步骤1:对引导车辆的运动过程进行建模，得到状态空间模型；步骤2:传感器发送导频信号到车载计算机，计算机根据接收信号估计信道脉冲响应，并由此得到信道幅度增益；步骤3:传感器测量得到车辆速度，经放大后通过模拟通信装置传输给车载计算机；步骤4:针对步骤I的状态空间模型，考虑LQG控制问题，提出LQG控制性能指标；步骤5:在步骤4的性能指标中进一步考虑通信功率消耗，得到新的性能指标；步骤6:基于离线设计放大系数这个前提，根据步骤5的新性能指标设计控制信号;步骤1:基于步骤6的控制信号设计放大系数；步骤8:将步骤2、3的测量数据及步骤7的放大系数带入步骤6得到控制信号，此时步骤5的新性能指标将达到极小，LQG控制与通信功率总消耗将得到优化。本专利技术的有益效果是，本专利技术采用模拟通信传输信息，从而避免了状态估计的不稳定。另外在设计放大系数时将控制与通信过程联合在一起考虑，通过设计控制信号、离线设计放大系数使得LQG控制性能与通信能量消耗的总和达到极小，从而实现了 LQG控制与通信功率总消耗的优化。附图说明图1是系统结构图；图2是仿真结果图。具体实施例方式本专利技术针对自动公路系统中引导车辆的控制对象，采用简单的放大传输策略传输信号，整个系统结构如图1所示，其中，一种优化LQG控制与通信功率总消耗的方法如下:步骤1:对自动公路系统中引导车辆的运动过程进行建模，得到状态空间模型；参考S.S.Stankovic, M.J.Stanojevic, D.D.Sil jak: Stochastic inclusionprinciple applied to decentralized overlapping suboptimal Iqg controlof a platoon of vehicles,The International Conference on Computer as aTool, EUR0C0N, 318 - 321 (2005)中的方法进行建模:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种优化LQG控制与通信功率总消耗的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）对自动公路系统中引导车辆的运动过程进行建模，得到状态空间模型：dx(t)=010-ζx(t)dt+0ζu(t)dt+dw(t),其中，t表示时间，x(t)=[vL(t)aL(t)]T，vL(t)是车辆速度,aL(t)是车辆加速度，u(t)是车辆控制输入，w(t)是白噪声输入，ζ为车辆动力学系数，d表示微分。将上述模型离散化，可得：x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+w(k)，其中，k表示时刻，A、B为定常矩阵，可由连续时间模型求得:A=exp(010-ζ·T),B={∫0Texp(010-ζ·t)dt}·0ζ;其中，T为采样间隔，exp为指数函数，表示[0,T]区间上求积分。系统初始状态x(0)服从高斯分布，均值为m0，协方差阵为Σ0；w(k)为零均值高斯白噪声向量，协方差阵为（2）传感器发送导频信号到车载计算机，计算机根据接收信号估计信道脉冲响应，并由此得到信道幅度增益；无线信道考虑瑞利平坦衰落信道，导频信号为s(k)，则接收信号为：r~(k)=h~(k)s(k)+n~(k),其中，为等效低通接收信号；为等效低通信道脉冲响应，是零均值复高斯随机过程，协方差为为信道加性噪声，是协方差为的零均值复高斯白噪声。车载计算机根据接收信号估计信道脉冲响应：h~^(k)=σh2s(k)σn2+σh2s2(k)r~(k),其中，为信道脉冲响应估计值，它的模即为信道幅度增益h(k)。（3）传感器测量得到车辆速度，经放大后通过模拟通信装置传输给车载计算机；传感器测量得到车辆速度：y(k)=Cx(k)+v(k)，其中，y(k)是传感器测量值；C=[1?0]，保证了系统的能观性；v(k)为观测噪 声，是协方差为的零均值高斯白噪声。测量值经放大后通过模拟通信装置传输给车载计算机：z(k)=αh(k)y(k)+n(k)，其中，z(k)为接收信号；α为放大系数，n(k)为信道加性噪声，是协方差为的零均值高斯白噪声。（4）针对步骤（1）的状态空间模型，考虑LQG控制问题，提出LQG控制性能指标；LQG性能指标为Jc，如下：Jc=limM→∞E{Σk=0M-1[xT(k)Qx(k)+Ru2(k)]},其中，M为终端时刻；Q、R为权重系数，Q≥0，R>0；E(.)表示期望运算；T表示矩阵的转置；Σ(.)表示求和运算；表示M趋于无穷时求极限。式中第一项是对状态跟踪情况的度量，第二项是对控制能量消耗的度量。（5）在步骤（4）的性能指标中进一步考虑通信功率消耗，得到新的性能指标。新性能指标为J，如下：J=limM→∞E{Σk=0M-1[xT(k)Qx(k)+Ru2(k)+Sα2y2(k)]},其中，第三项是对通信功率消耗的度量，S为权重系数，S>0。（6）基于离线设计放大系数这个前提，根据步骤（5）的新性能指标设计控制信号。基于放大系数的离线设计，控制信号与放大系数可分离设计。此时采用动态规划方法可将控制信号设计为u*(k)：其中，F为反馈系数，为时刻k对当前时刻的最小二乘估计。F满足：F=[BTPB+R]?1BTPA，P=Q+AT{P?PB[BTPB+R]?1BTP}A+Sα2CTC，其中，P为中间变量，可采用数值迭代法进行求解。通过Kalman滤波器得到：x^(k|k)=x^(k|k-1)+K(k)[z(k)-C′(k)x^(k|k-1)],Σ(k|k)=Σ(k|k?1)?K(k)C′(k)Σ(k|k?1)，K(k)=Σ(k|k-1)C′T(k)[C′(k)Σ(k|k-1)C′T(k)+σv′2(k)]-1,x^(k|k-1)=Ax^(k-1|k-1)+Bu(k-1),Σ(k|k-1)=AΣ(k-1|k-1)AT+σw2,C′(k)=h(k)αC，σv′2(k)=h2(k)α2σv2+σn2;其中，是时刻k?1对时刻k的预测值，Σ(k|k?1)是预测误差方差，Σ(k|k)是时刻k对当前时刻的估计误差方差，K(k)为Kalman增...

【技术特征摘要】
1.一种优化LQG控制与通信功率总消耗的方法，其特征在于，该方法包括以下步...

【专利技术属性】
技术研发人员：章辉，田垠，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：