跟踪效益问题中伺服控制的新思路：一种“参考输入-伺服控制器一体化设计”方法

How to overcome effectively the negative impacts of the slow-dynamics of controlled plants on the tracking performances is always one of the bottle-neck problems in the field of servo-control. With the increasing large-scales and complexities of the structure of controlled plants, this problem become more and more challenging and are urgent to be addressed. In this project, according to the previous work on wind power engineering, the applicants note that the servo-control problems can be classified into two types: the one in which tracking is regarded as the control objective, and the one in which the tracking is only regarded as a mean or way to obtain an optimized performance in a certain sense. In the former case, the reference inputs are usually given and hence unchangeable. However, in the latter case, the reference inputs may be adjustable and even replaced. Theoretically, in this case, any reference inputs even including the virtual ones can be utilized to replace the given reference inputs as long as they can achieve a better performance. Hence, the reference inputs can be regarded as designable parameters and thus be included into the integrated design with servo-controllers. So far, this observation and its advantages are not being considered in the existing servo-control theory and methodologies. Based on such consideration, this project proposes a new concept of “integrated design of reference inputs and servo-controllers”, and plans to develop a feasible servo-control theory and the methods on the basis of the previous works on low wind speed wind power generation system, which will provide a new technological approach to overcome the bottle effects of the slow dynamics of the controlled plants on the tracking control in the issue of efficiency optimization.

有效克服受控对象的慢动态特性对跟踪性能/效益的影响一直是伺服跟踪控制领域的一个瓶颈问题。随着受控对象规模和复杂度的不断增高，这一问题日益突出、亟待解决。本项申请从小组先期在风电工程的研究工作中注意到：从控制任务上，伺服跟踪控制可分为“以跟踪为目的”和“跟踪只是手段、优化某种系统效益才是目的”两大类。前者的参考输入是给定的，通常不可调整；后者则未必：只要能优化效益，哪怕是虚拟的参考输入，都可纳入考虑范畴。这样，参考输入便可与伺服控制器一起进行一体化设计。这一视角及其观察，在已有伺服控制理论和方法中尚未得到足够的注意与体现。本项研究即针对这类问题，在先期研究基础上提出“参考输入-伺服控制器一体化设计”概念，并以低风速风力发电系统为演示验证平台、系统地研究相应的伺服控制理论和方法，为进一步改善慢动态特性对效益优化问题中跟踪控制的瓶颈效应提供一条新途径。

本项研究力求解决的科学问题是：针对以效益优化为目的的慢动态伺服跟踪控制系统，探索和寻求有效克服对象慢动态特性对系统跟踪效益影响的新机理与新方法。.随着受控对象规模和复杂度日益增高，效益优化问题中的跟踪控制出现了瓶颈现象：针对控制器的改进潜力十分有限。本研究发现，以优化系统效益的伺服控制中，给定的标准参考输入不是伺服跟踪控制的最终目的，因而可根据受控对象的具体动态特性和伺服环境的不同特点，对其做进一步的修正。.本项研究即针对这类问题，提出将参考输入的修正纳入伺服控制的新思路，以风力发电系统为实验演示验证平台，尝试建立一种在极大化跟踪效益意义下的、参考输入-伺服控制器一体化设计的一般理论与方法框架，为进一步克服动态特性严重滞后的受控对象的伺服跟踪瓶颈提供一种新的可行途径。这在已有伺服控制理论和方法中尚未得到足够的关注。.项目研究内容主要包括：.1）建立使得跟踪控制效益最大化的一般数学模型，并提出其综合求解方法。.2）针对风机控制系统，生成符合低风速风机最大化风能捕获机理的可行候选参考输入函数类。.3）研究将风速跟踪控制器的参数设定与候选参考输入的最优设定进行联合优化、使得风能捕获效率极大化的方法，利用风电仿真及实验平台验证一体化设计的效果。.本项研究围绕上述研究内容，提出了一种基于最优控制理论的参考输入-伺服控制器一体化设计方法，并在风机MPPT控制等问题中获得良好的应用效果。本项研究从实际风机控制工程问题中萃取出了新的控制科学问题，并且回到了实际的工程应用，为拓展经典伺服控制理论和方法提供了一条有效的新思路。