基于能控度的结构参数优化新方法的研究

The performance of control system design is confronted with severe challenge from the structural characteristics of many practical systems, thus the integrated design of structural parameters of the plant and the controller has become increasingly significant. However, the feasibility of the integrated design is restricted. Under these circumstances, in this study, a novel integrated design approach based on the degree of controllability (DOC) is proposed where the DOC is embedded into the structural design model so that the control issues will be considered in plant design and the integration of the terminal controller design and the overall system design will be avoided. Therefore, the optimization of plant structural parameters from the perspective of controller design will become more feasible. This project investigates the internal relationship between DOC and closed-loop control performance indexes via theoretical derivation and practical system analysis. Then the result that when using the identical control strategy, the larger the DOC of the plant, the better its closed-loop control performance is verified in order to apply the DOC to the optimization of structural parameters of controlled plants and provide a feasible technical approach for highly efficient controller design.

实际系统的结构特性对控制系统设计性能的要求日益严峻，经典分离设计面临很大挑战，受控对象结构-控制一体化设计逐渐得到重视。然而，这种一体化设计将受控对象结构参数与控制器参数联动迭代设计的可行性存在很大限制。在此背景下，本研究综合经典分离设计与一体化设计，提出一种基于能控度的新的优化设计方法。它将能控度指标植入结构设计模型中，既在受控对象的总体设计阶段提前考虑了控制的需求，又避免了将控制器设计与系统总体结构设计做整体考虑，可极大地提高从控制器设计视角对受控对象结构参数进行优化的可行性。本项目旨在通过理论推导与实际系统分析，深入探讨能控度与闭环控制性能指标的内在关系，验证能控度越高的受控对象，在采用基于相同控制系统设计方法得到的控制器时，控制效果越好，以完成基于能控度的受控对象结构参数优化设计，同时为实现高效率的控制器设计提供一条可行的技术路线。

本项目围绕现有结构控制一体化设计存在的问题，通过探讨能控度指标与相关控制性能指标的关系，在验证了系统能控度指标越大，控制效果越好的基础上，提出了一种基于能控度的结构参数优化设计新方法。.本项目以压电智能悬臂梁系统和风力机系统为背景，通过理论推导研究了状态能控度指标与LQR控制性能指标的关系，并进行了仿真验证。从最小能量控制问题的角度，针对输出控制问题，提出了一种新的输出能控度指标。将其应用于风力机系统、倒立摆系统和弹簧-质量-阻尼系统，选取不同的结构参数，分别采用最优转矩法和PID控制方法进行仿真验证，获得了良好的应用效果。基于风力机结构参数的灵敏度分析，确定了转动惯量、风轮半径、风能利用系数以及叶尖速比等关键参数对MPPT控制性能的影响，采用多目标优化、统计分析、响应面等方法，建立了基于能控度的风力机系统结构参数优化模型。并基于风力机专业仿真软件FAST、PROPID等进行了仿真验证。试验结果表明，上述的成果为能控度应用于实际系统指导结构参数优化设计提供了理论和仿真基础。