[发明专利]一种基于卡尔曼滤波的多控制器最优状态估计控制策略设计方法

说明书

本发明公开一种基于卡尔曼滤波的多控制器最优状态估计策略设计方法，首先针对无线网络化控制系统进行系统建模，分析了网络化控制系统中存在网络传输时延对系统闭环控制的影响；其次，研究分布式控制器的信息融合，构建基于分布式双控制器的网络控制最优化问题；最后，采用卡尔曼滤波算法，对双控制器接收到的平台状态信息进行卡尔曼滤波分析，进而利用迭代递归方法求解得到最优状态估计控制策略，并通过仿真实验验证其可行性。该发明利用卡尔曼滤波算法及迭代递归方法，解决了当无线通信网络中存在传输时延以及受噪声干扰无法获得准确的平台状态信息时，分布式控制器的最优状态估计控制策略问题，从而实现了利用分布式多控制器协同控制，达到提高网络化控制系统稳定性及减小系统损耗的目的。

技术领域

本发明属于无线网络化控制技术领域，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波的多控制器最优状态估计控制策略设计方法。

背景技术

近些年来，无线网络化控制系统随着控制技术、网络通信技术以及计算机网络技术的蓬勃发展而越来越受到广大研究学者的关注与青睐。基于无线网络的网络化控制系统(networked control system，NCS)实际是指在传感器、控制器以及执行器之间，通过无线通信网络构成一个或者多个控制闭环，同时具备信号处理、优化决策和控制操作等功能。控制器可以分布在无线网络中各个不同的地点，打破了传统基于有线网络的网络控制系统在物理空间位置上的局限性，提高了信息集成度。

然而随着无线网络化控制系统的高速发展，网络中存在的网络时延等无线网络特性严重影响了网络化控制系统的稳定性，对网络化控制系统的研究带来了极大地挑战。目前，已有一些学者比较系统地分析了网络时延对系统稳定性的影响，同时，基于单控制器的无线网络化控制系统，提出了基于平台状态估计的最优控制策略。但是，基于分布式多控制器的无线网络化控制系统中，基于平台状态估计的最优控制策略一直是尚未解决的问题。因此，本发明对无线网络化控制系统的平台估计状态进行了研究，针对存在网络传输时延的无线网络化控制系统，提出了基于分布式多控制器的最优控制策略设计方法。首先，建立基于分布式控制器的无线网络化控制系统模型，并采用卡尔曼滤波算法对平台状态信号进行估计，然后通过线性二次最优控制方程推导出平台最优估计信号，继而利用迭代递归方法得出控制器最优控制策略，最终通过仿真验证本发明提出的基于分布式控制器的最优控制策略的可行性及性能优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于卡尔曼滤波的多控制器最优状态估计控制策略设计方法，基于分布式多控制器的网络化控制系统中，考虑存在网络传输时延的基于双控制器的控制系统中，应用卡尔曼滤波算法对平台信号进行估计，并通过线性二次最优控制策略方程求解出最优控制策略，从而有效的提高网络化控制系统稳定性及系统性能。

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种基于卡尔曼滤波的分布式双控制器最优状态估计策略设计方法，包括以下步骤：

步骤1、建立系统模型

分布式网络化控制系统包含传感器、控制器、执行器以及平台；传感器、控制器以及执行器之间，通过无线通信网络构成一个闭环控制系统，信号通过传感器节点后，通过网络传输到分布式双控制器节点，控制器的控制策略信号再通过网络传送到执行器，从而作用到被控平台上，实现闭环状态反馈控制，维持系统的闭环稳定控制；

步骤2、确定基于分布式双控制器的网络控制最优化问题

根据网络时延特性对分布式控制节点的影响，对分布式双控制器实现信息融合，选择二次代价效用函数，建立基于分布式双控制器的网络控制最优化问题；

步骤3、采用卡尔曼滤波算法及迭代递归方法求解最优状态估计控制策略，包括以下步骤：

步骤3.1、基于双控制器的互通性，分析控制器间的控制信息融合；