引用本文

马翠芹, 姚俊毅, 韩康, 赵云波. 计算受限控制系统的一种全资源预测控制方法. 自动化学报, 2019, 45(4): 730-738. doi: 10.16383/j.aas.c180398

MA Cui-Qin, YAO Jun-Yi, HAN Kang, ZHAO Yun-Bo. A Full Resource Predictive Control Approach to Control Systems Subject to Computational Constraint. ACTA AUTOMATICA SINICA, 2019, 45(4): 730-738. doi: 10.16383/j.aas.c180398

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c180398

关键词

计算受限，全资源，预测控制，联合仿真 

摘要

针对具有时变有限且不可预知计算资源的控制系统，提出了一种充分利用可用计算资源的预测控制策略和相应的控制器设计方法.该策略在控制系统可用计算资源充足时计算多步前向预测控制量，进而使用合适预测控制量在控制器因缺少计算资源无法运行时闭合系统，达到了在不要求额外计算资源前提下提升控制系统性能的效果.利用改进的模型预测控制方法设计了相应的控制器，并分别使用纯数值和MATLAB/LabVIEW联合仿真算例对所提出的方法进行了验证.

文章导读

近年来, 物联网、信息物理系统、工业互联网及其应用领域, 例如智慧家居、车联网、智慧工厂等各种智能互联系统得到了迅猛的发展.这种发展得益于通信和计算两种技术的巨大进步, 一方面, 通信技术的进步, 特别是无线通信网络的发展, 使得信息流动更容易, 成本更低, 促进了大规模互联系统的构建; 另一方面, 计算能力的进步, 特别是微型嵌入式计算芯片的发展, 使得更多的微型设备也可以具有计算能力, 为系统的智能化发展提供了物质基础[1-6].无线通信和嵌入式计算等技术在控制系统中的广泛使用为控制系统设计和分析提出了新的挑战, 也促使了各个不同但相关的研究领域的出现和发展.从考虑各种通信网络在控制系统信息传输中的作用的角度, 出现了网络化控制系统的概念, 该领域在过去近20年的大量研究为包含通信网络因素的控制系统的设计和分析奠定了坚实的基础[7-10]; 从考虑多个设备间互联及其拓扑结构和群体行为的角度, 为多自主体系统的研究提供了一个重要的模型基础[11-12]; 从物理系统和信息系统交互影响的角度, 信息物理系统的研究也在近些年蓬勃发展起来[13-14].

与上述角度不同, 本文关注各类智能系统中大量采用的微型处理器及其带来的计算能力限制问题.事实上, 各类智能系统以多个具有有限计算和通信能力的设备的互联互通为基本特征, 势必导致其计算能力成为关注的焦点, 一方面运行控制器设备本身的计算能力有限, 另一方面又要在互联的设备间共享计算资源, 使得对某特定的控制系统而言, 其控制器的可用计算资源成为有限时变且不可预测[15-16].

传统控制系统的可用计算资源很少有不可预测的特点.因为传统控制系统往往不存在大量设备的互联, 从而在系统边界上是封闭的, 即控制系统的各个组件对该系统是私有的.因此, 即便计算资源有限时变, 这一变化特点在控制系统的范畴内也往往是事先预知的.而对已知的时变资源的分配可以采用各种资源调度的算法进行有效处理[17-19].

在本文研究的问题中, 对于提供计算能力的设备, 仍依赖调度算法对该设备的计算资源进行全局分配, 但是, 因为全局调动算法的分配很难实时准确地将控制系统的需要考虑在内, 分配给控制系统的可用计算资源就难免具有有限时变且不可预知的特点.有限时变的特点意味着在某些时刻控制系统可能会因为计算资源太少而无法运行控制器, 使得系统开环, 在极端情况下可造成系统失稳, 而不可预测的特点又使得任何离线设计的方法失效.这使得不考虑这一新特性的传统控制方法很难在这种新情境下有效发挥作用, 从而要求一种全新的在线控制框架来处理这一问题.

本文面向计算受限控制系统提出一种全资源预测控制策略及相关控制器设计方法.该策略注意到了有限时变可用计算资源的另一个可能特点, 即在某些时刻可用计算资源可能极为充足, 在运行控制器外还有大量剩余, 因此就可以使用这些充足剩余的计算资源进行控制量的前向预测, 这些控制预测量进而能够在控制系统可用计算资源不足时闭合系统.这一策略仅使用已分配给控制系统的计算资源, 但通过对其更充分的利用可获得更好的控制系统性能.

本文结构安排如下:第1节严格定义所考虑的问题; 第2节提出全资源预测控制策略; 第3节提供了一种改进的模型预测控制算法作为该策略所要求的控制器的一种具体实现; 第4节使用基于MATLAB的数值仿真和MATLAB/LabVIEW联合仿真对提出的策略和算法进行验证; 第5节总结全文.

图 1  具有时变不可预知计算资源的控制系统

图 2  面向计算受限控制系统的全资源预测控制策略

图 3  小车-倒立摆系统示意图

通过对可用计算资源的充分利用, 在不增加额外计算资源要求的前提下实现了计算受限控制系统的性能提升.这是一种控制和计算的联合设计方法, 对该方法的进一步改进将依赖于前向预测控制序列的更为有效的设计, 另外对闭环系统稳定性的保证也是后续的研究工作之一.

作者简介

马翠芹

曲阜师范大学副教授. 2003年和2006年分别获得曲阜师范大学学士和硕士学位, 2009年获得中国科学院博士学位.主要研究方向为多自主体系统, 分布式控制和网络控制. E-mail: cuiqinma@amss.ac.cn

姚俊毅  

浙江工业大学信息工程学院硕士研究生.主要研究方向为网络化控制系统.E-mail:m18115162562@163.com

韩康

浙江工业大学信息工程学院硕士研究生.主要研究方向为网络化控制系统.E-mail:Kanghan93@outlook.com

赵云波  

浙江工业大学教授.2003, 2007和2008年分别获得山东大学学士学位, 中国科学院硕士学位和英国格拉摩根大学博士学位.主要研究方向为网络化控制系统, 人工智能驱动的控制, 人机融合和系统生物学.本文通信作者.E-mail:ybzhao@ieee.org