分布式系统优化运行的自重构预测控制设计与性能分析

Distributed control is a hot issue in the theoretical research and applications of complex industry control systems. In the operation of distributed systems, the physical structure changing caused by production conditions or tasks brings the changing of existing information topology, which results in the overall control performance degradation even uncontrollability. How to self-regulate the information structure and local controllers online to adapt above changes and realize the optimization of the whole system is a key problem to be solved in distributed control. This subject is mainly targeted to investigate self-reconfigurable distributed predictive control. The contents include: to assess the impact on systems controllability and information structure caused by physical structure changing; to redesign the predictive controllers and corresponding coordination strategies based on the restructure of information topology; to establish the online regulation rules by state transition theory in order to guarantee the system states feasibility; to analyze the global closed-loop stability and dynamic performance in the self-reconfigurable process. This project is expected to provide a distributed control framework that can meet different kinds of requirements and has more flexibility and reliability for intelligent manufacturing of modern industry, which has significant theoretical and practical application value.

分布式控制是复杂工业过程控制研究与应用的热点。在生产中因外部环境或生产任务等改变带来的系统物理结构变化，会引起原有信息拓扑发生改变，导致系统整体性能下降甚至不可控。如何在系统优化运行过程中在线对信息结构和控制器做出自调整以适应这种变化，实现整体性能的优化，是分布式优化控制需要解决的关键问题。本项目围绕信息结构变化给系统设计与分析带来的挑战，开展自重构分布式预测控制研究。具体包括：评估物理结构变化对系统可控性和信息结构带来的影响，基于重组的信息结构对子系统之间的协调策略及预测控制器重新设计，通过状态迁移理论建立保证自重构前后系统状态可行性的在线调整机制，并对系统的全局稳定性以及自重构过程的快速性、平稳性等动态性能展开分析。本研究将为现代工业智能化生产提供灵活性高、可靠性强，同时满足多种需求的高性能分布式控制策略，具有重要的理论和应用价值。

本项目针对分布式系统优化运行过程中出现的拓扑结构变化，研究了自重构预测控制器设计方法，为工业系统复杂环境和可变任务下的在线自调整提供理论基础和应用参考。项目执行期间取得的重要成果如下：（1）围绕分布式系统的控制结构优化与信息结构重组，提出了分布式系统最优控制结构设计方法；针对子系统的加入、移除、以及不同子系统间耦合关联的结构重组三种典型重构模态，提出了基于最小输入分配的控制结构再设计方法、基于图论匹配集的重构系统结构可控性分析方法。（2）在重构系统最优控制结构基础上，围绕控制器与协调策略重新设计，提出了非合作式分布式预测控制算法和基于邻域优化的分布式预测算法，实现了重构系统的快速响应和有效控制；针对重构系统的信息异步性和资源有限性，建立了基于事件触发和自触发的分布式预测控制方法，实现了异步信息交互下重构系统的性能优化。面对复杂环境和任务下的重构分布式系统，在分布式预测控制框架下研究了融合逻辑信息的重构系统控制器协调与智能决策方法。（3）围绕重构需求下系统状态可行性问题，建立了系统优化运行过程中自重构分布式预测控制器过渡过程优化策略，保证重构模态下滚动时域优化问题的可行性；提出了基于动态目标计算的经济预测控制方法和基于动态轨迹计算的经济预测控制算法，通过优化过渡点和过渡轨迹两类策略，实现了面向重构过程综合性能的实时优化。（4）围绕可重构分布式控制系统的性能分析，深入研究了邻域优化分布式预测控制策略、事件触发分布式预测控制及异步协调策略下可重构系统的稳定性，同时给出了算法收敛约束参数、终端条件和（或）触发条件定性综合设计结论；从工程实现的角度，提出了分布式预测控制优化问题快速求解迭代公式，以保证重构控制的实时性和分布式协同效率。