输出随机分布控制系统的控制回路性能评估方法研究

Control loop performance evaluation has been an important subject of control theory and applications and has attracted huge attention in the past three decades. As a result, many new approaches have been developed and used successfully in wide industries. In most existing methods, it is assumed that all the variables in the system obey a Gaussian-type distribution. This assumption, however, can be too restrictive for real systems that are normally subject to non-Gaussian noises. Only in the output stochastic distribution control (SDC), which considers non-Gaussian stochastic nature of variables and signals, the probability density functions (PDF) of the interested variable(s) are controlled directly. This clear advantage motivates the research in this project. To be more specific, how to establish the new control loop performance evaluation method for SDC systems will be investigated, which includes the following four aspects: the steady-state performance evaluation benchmarks of the general SDC system, the dynamic performance evaluation benchmarks, control strategies or controller reconfiguration methods, and the control loop economic performance evaluation benchmarks. While the output SDC loop performance evaluation plays an important and irreplaceable role in quality control of industrial processes, it is still a challenging task in both academics and industries. We aim to tackle this challenging task through innovative and systematic investigation of the performance evaluation benchmarks of the output SDC loop and the corresponding controller reconfiguration methods.

控制回路性能评估是控制领域中较活跃的一个研究分支，近几年在国际上吸引了越来越多的关注，在高斯型随机系统或确定系统，已经有许多理论研究成果出现并成功得到了实际应用。然而，在非高斯型随机系统中，尚没有相关的研究成果，更谈不上实际应用。本项目以输出随机分布控制回路为研究对象，该控制回路以输出概率密度函数的形状为控制目标，考虑如何建立相应的控制回路性能评估体系，具体包含四个方面：第一、具有一般性的随机分布控制系统的稳态性能评估基准、第二、动态性能评估基准；第三、控制建议或控制器重构方法；第四，控制回路经济性能评价基准。输出随机分布控制系统的性能评价在实际工业过程质量控制中具有重要的不可替代的作用，该类性能评价和控制器重构在设计上具有很大挑战性。本课题从随机分布控制系统的性能评估基准及控制器重构等入手，对随机分布控制系统的性能评估的关键技术进行系统化研究。

针对非高斯控制回路尚无统一的性能评估方法，本项目针对输出随机分布控制回路的性能评估展开了研究；主要研究如何建立这一类非高斯系统如何建立性能评估体系，重点包括线性非高斯控制回路的性能评估基准选定、理论值计算、基准估算、控制器重构以及高维系统特征提取。经过四年的研究，本项目取得了以下成果：.1、提出了有理熵概念、建立了输出随机分布控制回路的有理熵评估基准及其理论值计算方法；.2、利用熵和进化算法等构建了线性非高斯控制回路的性能评估传统实现方案，简便地实现了如何进行线性非高斯控制回路的性能评估；.3、利用流形学习方法构建了高维工业数据的维数约简方案，为非高斯控制回路性能评估提供了前期数据处理技术；.4、提出了输出随机分布控制系统软边界概念，结合软边界概念、参数估计技术和鲁棒控制技术实现了输出随机分布控制系统的控制器重构；.5、提出了依概率解耦概念，该概念将随机耦合问题转换为随机收敛问题。为输出随机分布控制系统的控制器设计和重构提供了新的方向。