CPS结构下分布式预测控制系统的设计与综合

With the development of Internet technology and evolution of industrial technology, industrial processes were becoming more and more sophisticated. The controllers interconnected with each other and composed a network for information exchanging. The whole system has been using the cyber network to control a physical network. The controller information structure design, how to guarantee the global performance of whole system is the key in the design of Distributed Model Predictive Control (DMPC) under these Cyber Physical System (CPS) architecture. The design of physical & information structure and the synthesizing of DMPC system under CPS structure are conducted in this issue. It includes: to develop a design method of controller information structure and system partition for ensuring the structural controllability and structural observability of each subsystem, the optimization performance of overall closed-loop system under the control of DMPC, and the weakly coupling among subsystems; to design a strategy for coordinating DMPC, which guarantees the optimization performance and the flexibility of the entire closed-loop system under the control of the design controller when the coupling relationships of the controlled systems change or some subsystems join or exit; to analyze the stability and the performance of proposed DMPC. Then, complete and methodology to design the DMPC with non-global information, which will promote the development of the theory of DMPC. Due to directly face the industrial requirements, the proposed approaches demonstrate the strong innovation characteristics and have a high potential in industrial applications.

随着工业技术、网络技术的快速发展，工业过程分布式控制系统已经形成通过信息传感与优化决策对大型物理网络系统进行优化运行的CPS结构。如何对物理信息网络进行分解，以及如何保证系统全局性能是CPS结构下分布式控制的关键问题。本项目在预测控制框架下，研究CPS结构下分布式预测控制系统物理信息结构设计和控制器综合问题，具体包括：研究保证子系统结构可控性和可观测性，且闭环系统整体优化性能好、子系统间耦合度低的系统划分和控制器信息结构设计方法。研究当系统耦合关系发生变化或某子系统加入或退出时，高灵活性和整体优化性能的自组织变结构分布式预测控制器协调策略及控制器综合问题，并分析该控制器的稳定性和全局最优性。形成设计高灵活性、容错性和全局性能的预测控制的系统理论和方法，将分布式预测控制理论向更深的层面推进。同时，本项目的研究内容面向工业过程控制的实际需要，具有很强的应用价值。

随着工业技术、网络技术的快速发展，工业过程分布式控制系统已经形成通过信息传感与优化决策对大型物理网络系统进行优化运行的CPS结构。如何对物理信息网络进行分解，以及如何保证系统全局性能是CPS结构下分布式控制的关键问题。本项目在预测控制框架下，研究CPS结构下分布式预测控制系统物理信息结构设计和控制器综合问题，具体包括：研究闭环系统整体优化性能好、子系统间耦合度低的系统划分和控制器信息结构设计方法，研究当系统耦合关系发生变化或某子系统加入或退出时，高灵活性和整体优化性能的自组织变结构分布式预测控制器协调策略及控制器综合问题，并分析该控制器的稳定性和全局最优性。. 本项目针对以上内容：在协调策略上针对含强耦合的分布式系统，提出了兼顾灵活性的N步邻接系统优化策略，提出了通过最小鲁棒集大小确定耦合强度的强耦合邻域优化协同策略，以及根据信息拓扑与闭环系统性能间的关系提出了信息结构自组织的分布式预测控制协同策略。针对不同策略下保证系统的全局性能的综合问题，提出了基于强耦合邻域策略下保证闭环系统性能的镇定和跟踪控制器综合方法、针对即插即用系统的保证可行性的过渡策略，以及针对分布式系统子系统非对角的反馈预测控制终端集的设计等难点问题的解决方法。形成了设计高灵活性、容错性和全局性能的预测控制的系统理论和方法，将分布式预测控制理论向更深的层面推进。同时，本项目的研究内容和结果面向工业过程控制的实际需要，具有很强的应用价值。