怎樣的受控對象更好控制？——基于能控度視角的探索.pdf

1、控制論是一門關(guān)于在動物和機器中控制與通信的科學。從人類社會活動中萃取控制原理與方法是開展控制科學研究的重要手段。本文從控制系統(tǒng)一體化設(shè)計在工程可行性方面遇到的挑戰(zhàn)出發(fā)，分析提取出“怎樣的受控對象更好控制？”的控制科學問題。針對這一問題，受人類社會中控制任務(wù)開始階段“遴選受控對象”方法的啟發(fā)，就線性定常系統(tǒng)，提出了“能控度更高的對象更好控制”的猜想。論文圍繞這一猜想從理論和工程兩個方面做了深入的分析和研究，主要內(nèi)容如下:
　　1、分

2、析萃取了“更好控制的對象”的實際內(nèi)涵，給出了“同樣反饋控制策略設(shè)計方法下，閉環(huán)效果更好，或閉環(huán)效果相當、反饋增益更小”的受控對象是“更好控制的對象”的定義。同時，分析得到了可用于衡量“更好控制”程度的指標（控制性設(shè)計指標）必須具備的性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合能控度的控制工程意義，提出了“能控度可以作為線性定常系統(tǒng)的一種局部控制性設(shè)計指標”的控制學猜想，并給出證明這一猜想的分析論證方案構(gòu)架。
　　2、根據(jù)上面給出的分析論證構(gòu)架，分別針對

3、一類線性控制理論問題和風力機最大功率點跟蹤(MPPT)控制問題，對所提“能控度猜想”做了深入的分析與驗證。研究結(jié)果表明:就所探討的問題而言，前述“能控度猜想”是成立的。亦即，對這些問題來說，能控度較高的受控對象，其閉環(huán)控制效果較好，同時反饋增益也有可能較小。其具體研究進展包括:
　　(1)研究了參數(shù)攝動裕度能控度對LQR控制性能的影響。首先，從二次最優(yōu)性能指標和控制器增益兩方面，探討了參數(shù)攝動裕度能控度在冗余LQR控制中的影響。針

4、對具有冗余輸入的系統(tǒng)設(shè)計LQR控制器，分別討論了參數(shù)攝動裕度能控度與二次最優(yōu)性能指標、控制器增益之間的變化關(guān)系。
　　研究結(jié)果表明:參數(shù)攝動裕度能控度越大的系統(tǒng)，二次最優(yōu)性能指標越小。同時，進一步的分析也表明:隨著參數(shù)攝動裕度能控度增加，LQR控制器增益有可能會減少。另外，對于兩類特殊的系統(tǒng)，推導出了參數(shù)攝動裕度能控度嚴格增加是二次最優(yōu)性能指標嚴格降低的充要條件。綜上所述，更高的參數(shù)攝動裕度能控度一定程度上能帶來更好的控制性能。<

5、br>　　(2)研究了能量能控度對LQR控制性能的影響。類似地，首先從二次最優(yōu)性能指標和控制器增益兩方面，探討了能量能控度對無限時間冗余LQR控制的影響。針對具有冗余輸入的系統(tǒng)設(shè)計LQR控制器，研究了能量能控度與二次最優(yōu)性能指標、控制器增益之間存在的變化關(guān)系。
　　研究結(jié)果表明:能量能控度更高的系統(tǒng)，具有更小的二次最優(yōu)性能指標。同時，進一步的分析也表明:隨著能量能控度的增加，LQR控制器增益有可能會減少。另外，通過研究能量能控度對

6、有限時間冗余控制的影響，也表明能量能控度更高的系統(tǒng)具有更好的LQR控制性能。
　　(3)研究了上述兩類能控度指標與風力機系統(tǒng)MPPT控制性能指標——風能捕獲效率的變化關(guān)系。首先，基于簡化氣動方程和運動方程的線性化模型，分別推導出了兩類能控度指標與風力機結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系。通過靈敏度分析發(fā)現(xiàn):對于上述兩類能控度指標，均呈現(xiàn)出轉(zhuǎn)動慣量越小，風力機能控度越大的規(guī)律。進一步，通過仿真探討了兩類能控度指標與風力機風能捕獲效率的變化關(guān)系。仿真

7、結(jié)果表明，在相同的MPPT控制策略下，能控度更高的風力機能夠獲得更高的風能捕獲效率。
　　(4)提出了一種基于能控度指標進行受控對象結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法。并以風力機系統(tǒng)作為應用背景，分別建立了以參數(shù)攝動裕度能控度和能量能控度作為優(yōu)化指標，風力機結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計變量的優(yōu)化模型。通過風力機專業(yè)仿真軟件Bladed和MATLAB驗證了該優(yōu)化設(shè)計方法的有效性。進一步，通過比較發(fā)現(xiàn)，能量能控度的優(yōu)化效果更好。
　　(5)針對中低速風場的隨

8、機特點，研究了考慮帶有隨機干擾的線性系統(tǒng)的能量能控度指標。提出了兩個新的能量能控度指標，并以風力機系統(tǒng)為應用背景，通過仿真驗證了新的能控度指標的增大能提高風力機MPPT控制性能。另外，對現(xiàn)有的能控度指標與本文提出的指標進行了對比，結(jié)果表明本文提出的能控度指標的適用性更好。
　　以上研究結(jié)果表明:對線性定常系統(tǒng)的線性控制策略而言，在局部優(yōu)化意義上的“能控度高的對象更好控制”這一猜想在較大的范圍內(nèi)成立是可能的。這說明將能控度用于受控對