网络环境下约束系统的输出反馈预测控制综合方法研究

Realization of networked control of industrial process is an inevitable trend of process industry development. However, the conventionally designed predictive control, which is extensively applied in the process industry, cannot deal with the problems of network-induced delay, packet loss, and quantization error which may occur in the data transmission process. If the industrial process which adopts the conventionally designed predictive control is directly placed in the networked control mode, the control quality, even the production safety will be under great threat. In order to solve the problems of network-induced delay, packet loss, and quantization error in the networked control systems, the synthesis approaches of output feedback model predictive control are systematically investigated in the present research. The following aspects will be considered: by separately analyzing the transmission processes in both links, we target to establish the closed-loop model of networked control system with network-induced delay, packet loss, and quantization error, respectively; by applying the Lyapunov stability theory, we will further construct the delay dependent, packet loss dependent, quantization dependent Lyapunov’ functions, and derive the stability results of the closed-loop systems; based on the above results, we will study the synthesis approaches of output feedback model predictive control, and explore the general method of guaranteeing the recursive feasibility and stability of the closed-loop systems. This research aims to form a set of theoretical system of establishing the model of networked control systems and synthesizing of the output feedback model predictive control under networked environment, and provide the theoretical and technical support for solving the problems of network-induced delay, packet loss, quantization error and networked control reformation of industrial process.

实现工业过程的网络化控制是流程工业发展的必然趋势。但目前在流程工业中广泛应用的常规预测控制并无法处理信号在网络传输过程中必然会遇到的时滞、丢包、量化误差等问题。如果将采用常规预测控制的工业过程直接置于网络化控制模式下，这必将对系统的控制品质甚至安全生产构成威胁。本项目以解决网络化控制系统中的时滞、丢包、量化误差等问题为目标，系统研究网络环境下的输出反馈预测控制综合方法。具体内容包括：推广双通道拆分技术，分别建立具有时滞、丢包、量化误差的网络化控制系统的闭环模型；构造时滞、丢包、量化依赖的Lyapunov函数，推导闭环系统的稳定性条件；构建输出反馈预测控制综合方法，探索保证递归可行性和闭环稳定性的一般性方法。本项目旨在形成一套以提升系统性能为导向的网络化控制系统建模和输出反馈预测控制综合理论体系，为时滞、丢包、量化误差问题的最终解决和流程工业的网络化控制改造提供理论和技术支撑。

推动信息化和工业化深度融合，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化, 是加快转变发展方式，走中国特色新型工业化道路的必然选择。石油、化工、冶金等传统流程工业是走新型工业化道路要重点改造升级的产业领域，实现全生产过程的网络化控制是改造升级的主要方向之一。但是，目前在传统流程工业中广泛应用的常规预测控制并无法处理信号在网络传输过程中必然会遇到的时滞、丢包、量化误差等问题。如果将采用常规预测控制的工业过程直接置于网络化控制模式下，这必将对系统的控制品质甚至安全生产构成威胁。. 在国家自然科学基金（批准号：61403055）的资助下，本课题组以解决网络化控制系统中的时滞、丢包、量化误差等问题为目标，系统研究了网络环境下的输出反馈预测控制综合方法，并取得了一系列成果：.1.在课题组前期研究成果的基础上，通过通信链路拆分技术，建立了与现有文献中完全不同的网络化控制系统闭环模型；.2.通过引入“二次有界”技术，解决了描述干扰作用下的网络化控制系统稳定性的难题。.3.开展网络环境下的输出反馈预测控制研究，提出了基于状态观测器的网络预测控制综合方法，并由LMI技术给出了预测控制优化问题的求解方法。.4.深入研究了输出反馈预测控制优化问题的递归可行性和闭环稳定性问题，发现并证明了保证优化问题递归可行性和闭环稳定性的一般性方法。. 这些成果已在控制理论主流刊物发表，并形成了一套以预测控制为核心，以提升网络化控制系统性能为导向的理论体系。本项目的开展为时滞、丢包、量化误差问题的最终解决和流程工业的网络化控制改造提供了理论和技术支撑。