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内容简介
基于物联网的网络化控制技术正在逐渐形成，并受到关注，网络化控制技术主要应用于大城市交通系统的实时指挥和控制，航空工业中的飞机导航自动化控制，石油化工和冶金等连续流程工业的生产控制和调整，战术导弹的数字化制导控制，网络赋能弹药控制等。不同于以往的研究成果，本书针对网络通信信道传输速率受限的情况，研究了线性离散系统的网络化控制问题，在多种情况下证明了确保系统可镇定的传输速率下界，给出了控制性能与传输速率之间固有的平衡关系，提出了新的量化、编码和控制策略，实现了控制与通信一体化设计。
作者简介
刘庆泉，中国科学院沈阳自动化研究所。主要研究方向为：网络化控制系统、无人驾驶飞行器控制系统等。
目录
1 Networked Control Schemes on The Basis of Information Theory
； 1.1 Stabilization of Stochastic Linear Systems With Data-Rate Constraints
； ； ； 1．1．1 Introduction
； ； ； 1．1．2 Problem Formulation
； ； ； 1．1．3 Lower Bound of Data Rates for Stabilization
； 1.2 Observer-Based Dynamic Feedback Control Under Communication Constraints
； ； ； 1．2．1 Introduction
； ； ； 1．2．2 Problem Statement and Preliminaries
； ； ； 1．2．3 Quantized Feedback Control Under Data-Rate Limitation
； ； ； 1．2．4 Numerical Example
； 1.3 A Quantization and Coding Scheme Under Information-rate Limitation
； ； ； 1．3．1 Introduction
； ； ； 1．3．2 Problem Formulation
； ； ； 1．3．3 Lower Bounds of Information Rate for Stabilization
； ； ； 1．3．4 Simulations
； References
2 Quantization， Coding， and Control Schemes Under Data Rate Limitations
； 2.1 Quantized State Feedback Control Without Disturbances
； ； ； 2．1．1 Introduction
； ； ； 2．1．2 Problem Formulation
； ； ； 2．1．3 The Bit-Allocation Algorithm
； ； ； 2．1．4 Numerical Example
； 2.2 Bit-Allocation Schemes for Systems with Disturbances
； ； ； 2．2．1 Introduction
； ； ； 2．2．2 Problem Formulation
； ； ； 2．2．3 Bit-Allocation Schemes
； ； ； 2．2．4 Numerical Example
； 2.3 Dynamic Quantization Schemes for Output Feedback Control
； ； ； 2．3．1 Introduction
； ； ； 2．3．2 Problem Formulation
； ； ； 2．3．3 Output Feedback Control
； ； ； 2．3．4 Numerical Example
； 2.4 Feedback Control With Measurement Quantization and Control Signal Quantization
； 2．4．1 Introduction
； 2．4．2 Problem Formulation
； 2．4．3 Control Under Communication Constraints
； 2．4．4 Numerical Example
； References
3 Robust Control of Parameter Uncertain Systems Under Data-Rate Constraints
； 3.1 Quantization and Coding Schemes for Robust Control
； ； ； 3．1．1 Introduction
； ； ； 3．1．2 Problem Formulation
； ； ； 3．1．3 Robust Control Under Date-Rate Constraints
； ； ； 3．1．4 Numerical Example
； 3.2 A Time-Varying Recursive Allocation (TVRA) Algorithm for Robust Control
； ； ； 3．2．1 Introduction
； 3．2．2 Problem Formulation
3．2．3 Time-Varying Recursive Allocation (TVRA) Algorithm
3．2．4 Numerical Example
References
4 Stabilization of Linear Time-Invariant Systems Over Packet Dropout Communication Channels
4.1 Quantized State Feedback Control
4．1．1 Introduction
4．1．2 Problem Formulation
4．1．3 Quantization， Coding， and Control Schemes
4．1．4 Numerical Example
4.2 Quantized Feedback Control For MIMO Systems
4．2．1 Introduction
4．2．2 Problem Formulation
4．2．3 Quantization and Control Schemes
4．2．4 Numerical Example
References
5 Stabilization of Networked Control Systems with Data-Rate Limitations and Time Delays
5.1 Stabilization of Systems without Disturbances
5．1．1 Introduction
5．1．2 Problem Formulation
5．1．3 Networked Control with Time Delays
5．1．4 Numerical Example
5.2 Stabilization of Systems with Disturbances
5．2．1 Introduction
5．2．2 Problem Formulation
5．2．3 Networked Control Under Communication Constraints
5．2．4 Numerical Example
5.3 Networked Control over Noisy Channel with Time Delays 151
5．3．1 Introduction 151
5．3．2 Problem Formulation 152
5．3．3 Networked Control Under Communication Constraints 153
5．3．4 Numerical Example 157
5.4 Stabilization of MIMO Control Systems
5．4．1 Introduction
5．4．2 Problem Formulation
5．4．3 Networked Control Under Data-Rate Limitations
5．4．4 Numerical Example
References
6 LQG Control of Linear Systems Under Data-Rate Constraints
6.1 Quantized State Feedback Control
6．1．1 Introduction
6．1．2 Problem Formulation
6．1．3 LQG Control Under Data-Rate Constraints
6．1．4 Numerical Example
6.2 LQ Control of Networked Control Systems With Limited Data Rates
6．2．1 Introduction
6．2．2 Problem Formulation
6．2．3 LQ Control Under Data-Rate Constraints
6．2．4 Numerical Example
6.3 Input and Output Quantized Control of LQG Systems under Information Limitation
6．3．1 Introduction
6．3．2 Problem Formulation
6．3．3 LQG Control Under Date-Rate Constraints
6．3．4 Numerical Example
References
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前言
基于物联网的网络化控制技术正在逐渐形成，并成为近年来受到关注的热点研究问题。促使这个技术迅速发展的一个重要原因是来自社会生活、工业控制及军事领域的技术需求，如大城市交通系统的实时指挥和控制，航空工业中的飞机导航自动化控制，石油化工和冶金等连续流程工业的生产控制和调整，战术导弹的数字化制导控制等。采用拥有自主知识产权的网络化控制技术，将有助于在石油、化工、国防等国家重点工业行业内降低企业相关产品生产和使用的风险，保障产业安全，扩大我国具有核心技术的相关领域自动化产品所占据的市场份额，为工业化和信息化的融合提供高端解决方案，促进我国工业节能减排目标的实现。工业无线网络重点关注“高可靠”、“高安全”、“实时性”和“节能”等问题。
虽然采用网络化控制具有许多优点，但是也要看到，无线网络的引入也给控制系统的分析与综合带来了新的挑战。例如，数据包丢失、数据包传输时序错乱、传输时间延迟、信号量化、系统不确定性等因素的存在，使得传统的控制系统设计方法不再有效。针对在数据包丢失、数据包传输时序错乱、传输时间延迟等条件下的网络化控制系统研究，已经有了大量的研究成果。不同于以往的研究结果，本书对线性控制系统进行了研究，考虑了通信网络信道传输速率受限给控制系统分析与设计所带来的影响，提出了许多行之有效的理论方法。
在具有较大通信带宽的工程系统中，常常把控制和通信作为两个分离的步骤，单独完成设计。这种处理方法简化了整个网络控制系统的设计。但近年来随着系统规模的不断扩大及多个系统共享网络资源，这种分离的设计方法已不能使整个系统更加有效地运行了。系统状态经过传感器测量所获得的信号需要经过一个数字化的通信网络传输给控制器。因此，系统的测量输出需要被量化、编码，再通过信道传输给接收端的解码器。解码器对其解码，获得测量输出的估计值，并发送给控制器。对于含有成千上万个传感器的系统来说，虽然总的通信带宽很大，但分配给每个分量的可能是很小的一部分，即只能采用有限的传输速率来传递每个分量的信息。这将导致控制器只能获得非常不精确的系统测量输出估计值，从而剧烈地影响了系统的控制性能。如果多个大规模系统共享同一通信网络资源，将导致这个问题更为突出。因此，在传输速率受限的情况下，如何设计更加有效的量化、编码和控制策略来确保系统的控制性能，成为一个具有重要理论意义和实践应用价值的研究课题。
本书第1章研究了在传输速率受限情况下，基于信息论的线性系统量化器、编码器/解码器和控制器的设计问题。其中，假设传感器与控制器在地理上是分离的，并通过一个传输速率受限的数字通信通道连接起来。针对多输入、多输出线性系统，分别采用基于系统输出量和基于状态观测器估计量的量化、编码策略，给出了确保系统可镇定的量化器、编码器/解码器和控制器的设计方法。采用信息理论的分析方法，证明了与信道传输速率相关的确保系统可镇定的充分条件。另外，针对多输入、多输出线性系统，还给出了一种新的量化、编码和控制策略，从而实现确保系统可镇定的最小传输速率。
第2章研究了在传输速率受限的情况下，线性系统的量化反馈控制问题。需要解决的关键问题是：针对每个状态量，采用什么样的比特分配策略，才能给出确保系统可镇定的传输速率下界。目前的研究结果中，通常采用一种基于系统矩阵特征值的速率分配策略，但这种方法只适合于系统矩阵可对角化的情况。无论怎么样，对于绝大部分情况，系统矩阵是不可对角化的。为了解决这个问题，与以往的研究成果不同，本章给出了一种基于系统矩阵奇异值的速率分配策略，从而给出了一个更加一般化的结果。
第3章研究了在传输速率受限的情况下，线性时变不确定系统的鲁棒控制问题。针对线性时变不确定系统，在传输速率受限的情况下，给出了一种量化、编码和控制策略，确保系统的鲁棒可镇定性。并分别针对完全可观测系统和部分可观测系统，证明了确保系统鲁棒可镇定性的充分条件，给出了信道必须提供的传输速率下界。
第4章研究了在传输速率受限，数据包丢失的情况下，线性时不变系统的可镇定性问题。一般情况下，通信网络都会受到噪声干扰的作用，这会造成部分数据包在传输过程中丢失，从而给控制系统的可镇定性带来影响。本章针对这种情况，采用了差分量化编码策略和预测控制方法，证明了确保系统可镇定的充分条件。
第5章研究了在传输速率受限，信道传输时延的情况下，线性时不变系统的可镇定性问题。信道传输时延常常会大大降低系统的控制性能。本章分别针对有干扰系统和无干扰系统，完全可观测系统和部分可观测系统，证明了确保系统可镇定性的充分条件，给出了信道必须提供的传输速率下界。
第6章研究了在传输速率受限的情况下，线性时变不确定系统的LQG控制问题。以往的结果已经表明，数据包丢失、传输时延等都会造成系统控制性能下降。本章主要考虑了传输速率对系统LQG性能的影响。并分别针对完全可观测系统和部分可观测系统，证明了与传输速率有关的、确保系统可镇定的充分条件，给出了信道传输速率与系统LQG性能之间的平衡关系。
本书的出版受到了中国科学院沈阳自动化研究所“中国博士后科学基金资助项目”（ChinaPostdoctoralScienceFoundationfundedproject，编号：2013M530134）的资助。沈阳理工大学金芳老师和丁国华老师也参与了本书的编写、修改过程，陈博同学参与了编辑、打印的大量工作，在此表示衷心的感谢！书中难免有不妥和错误之处，殷切希望广大读者予以批评指正。
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