基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，包括以下步骤：步骤1：引入虚拟观测器，并利用延时时刻收到的切换系统采样时刻的模态信息和量化值更新虚拟观测器，利用虚拟观测器在延时时刻的状态设计和更新真实观测器，以解决延时导致的模态不匹配问题；步骤2：以延时时刻状态观测器和延时时刻真实观测器的差值信息，设计下一采样时刻的量化规则，并基于延时时刻状态观测器设计分段连续控制器，保证系统稳定运行。本发明专利技术通过引入虚拟观测器，实现了更新时刻和更新数据的时间一致性，降低了量化器设计的保守性，是现在较为先进的量化编码规则设计方法。先进的量化编码规则设计方法。先进的量化编码规则设计方法。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法


[0001]本专利技术涉及信息传输量化编码
，尤其涉及一种基于虚拟观测器的切换系统量化编码及控制方法。

技术介绍

[0002]切换控制系统由于其广泛的适用性而备受关注，例如化学过程、电力电子系统、机械手机器人、飞行控制系统等。在切换控制系统中引入网络已对系统性能产生了重大影响，尤其是网络引起的不精确且不及时的数据传输的影响。本专利技术的目的是镇定受网络效应(包括数据量化和时变时延)影响的连续时间切换线性系统。数据量化是由网络带宽限制引起的。尽管在实际应用中可以获得很多通信带宽，但是由于资源竞争等原因，每个系统可以使用的通信带宽始终受到限制。该限制使得网络无法识别无限代码，因此数据量化是不可避免的。此外，随着网络通信性能的不断提高，数据传输的可靠性越来越高。但是，由于设备性能、计算时间消耗等原因，数据传输时延(尤其是短时延)总是不可避免的。我们的目标是综合考虑切换控制系统和网络控制系统两个主要研究领域，专利技术一种集成的量化编码和控制算法以保证系统的稳定运行。
[0003]切换系统的量化编码技术已经获得了一些结果。若不受传输延时的影响，控制器端可在采样时刻实时收到系统的模态和传输数据，从而设计有效的控制方法及下个采样时刻的量化编码规则。(例如，文献1：Liberzon D.Finite data
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rate feedback stabilization of switched and hybrid linear systems[J],Automatica,2014(50):409
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420；文献2：Wakaiki M,Yamamoto Y.Stabilisation of switched systems with sampled and quantised output feedback[J],IET Control Theory and Applications,2017(11):1913
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1921)(献1：Liberzon D.切换混杂线性系统的有限速率反馈镇定[J],自动化,2014(50):409
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420)文献2：Wakaiki M,Yamamoto Y.具有采样量化输出反馈的切换系统的稳定性[J],IET控制理论与应用,2017(11):1913
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1921)。然而，当在切换系统中同时存在数据传输延时时，到目前为止尚缺乏相应的量化编码及控制机制。受此启发，我们将设计具有时延的连续时间切换系统的量化编码规则。据我们所知，目前涉及切换系统、量化和时延的代表性成果为文献3：Wakaiki M.,Yamamoto Y.Stabilization of switched linear systems with quantized output and switching delays[J],IEEE Transactions on Automatic Control,2017(62):2958
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2964，(文献3：Wakaiki M.,Yamamoto Y.受量化输出和切换延时影响的切换线性系统的镇定[J],IEEE自动控制学报,2017(62):2958
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2964)。然而文献3只针对切换信号延时情况设计了量化编码规则，并未考虑传输信号延时的情况。故而，针对传输延时的切换系统设计有效的量化编码及控制技术，以保证通讯的有效性和系统的稳定性是十分必要的。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对通讯延时影响下切换系统缺乏有效编码传输技术的问题，提供一种基
于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，本专利技术通过引入虚拟观测器，实现了更新时刻和更新数据的时间一致性，降低了量化器设计的保守性，是现在较为先进的量化编码规则设计方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：引入虚拟观测器，并利用延时时刻收到的切换系统采样时刻的模态信息和量化值更新虚拟观测器，利用虚拟观测器在延时时刻的状态设计和更新真实观测器，以解决延时导致的模态不匹配问题；
[0008]步骤2：以延时时刻状态观测器和延时时刻真实观测器的差值信息，设计采样时刻的量化规则，并基于延时时刻状态观测器设计分段连续控制器，保证系统稳定运行。
[0009]上述基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，所述步骤1中虚拟观测器和真实观测器设计过程包括以下步骤：
[0010]步骤1.1：以采样区间为时域划分，在网络诱导的信号传输延时影响下，基于延时时刻收到的切换系统采样时刻的模态信息和系统矩阵设计虚拟观测器的状态方程；
[0011]步骤1.2：以延时时刻收到的量化采样数据更新虚拟观测器的初始状态；
[0012]步骤1.3：以延时区间为时域划分，基于虚拟观测器的状态方程设计真实观测器的状态方程；
[0013]步骤1.4：设置虚拟观测器在延时时刻的预测值为真实观测器的初始值。
[0014]上述基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，所述步骤2中延时时刻的系统状态x(t
k
+τ
k
)和真实观测器状态的差值信息的计算过程包括初始化计算2a和迭代求解；
[0015]其中差值信息的初始化计算过程包括以下步骤：
[0016]步骤2a.1：令真实观测器状态和控制输入u均为0，通过分类分析方法得到t
k
‑1时刻状态的范数||x(t
k
‑1)||的上界值)||的上界值
[0017]步骤2a.2：依据区间[t
k
‑1,t
k
+τ
k
]的切换情况得到状态在延时时刻的上界值
[0018]步骤2a.3：定义单调递增序列
[0019]步骤2a.4：令为首次满足||x(t
k
+τ
k
)||≤E(t
k
+τ
k
)的时刻；
[0020]步骤2a.5：令为初始化结束的时刻，由真实观测器状态可得
[0021]上述基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，所述步骤2a.1中的分类规则为：第一类：区间[t
k
‑2,t
k
‑1)内无切换；第二类：区间[t
k
‑2,t
k
‑1)内有一个切换。步骤2a.2的切换情况分类为：第一类：区间[t
k
‑1,t
k
+τ
k
]内无切换；第二类：区间[t
k
‑1,t
k
]内有一个切换；第三类：区间[t
k
,t
k
+τ
k
]内有一个切换。
[0022]上述基于虚拟观测器的切换系统量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：引入虚拟观测器，并利用延时时刻收到的切换系统采样时刻的模态信息和量化值更新虚拟观测器，利用虚拟观测器在延时时刻的状态设计和更新真实观测器，以解决延时导致的模态不匹配问题；步骤2：以延时时刻的系统状态和真实观测器状态的差值信息，设计采样时刻的量化规则，并以延时时刻为区间划分，设计分段连续控制器，保证系统稳定运行。2.根据权利要求1所述的基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，其特征在于，所述步骤1中虚拟观测器和真实观测器设计过程包括以下步骤：步骤1.1：以采样区间为时域划分，在网络诱导的信号传输延时影响下，基于延时时刻收到的切换系统采样时刻的模态信息和系统矩阵设计虚拟观测器的状态方程；步骤1.2：以延时时刻收到的量化采样数据更新虚拟观测器的初始状态；步骤1.3：以延时区间为时域划分，基于虚拟观测器的状态方程设计真实观测器的状态方程；步骤1.4：设置虚拟观测器在延时时刻的预测值为真实观测器的初始值。3.根据权利要求1基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，其特征在于，所述步骤2中延时时刻的系统状态x(t
k
+τ
k
)和真实观测器状态的差值信息的计算过程包括初始化计算2a和迭代求解；其中差值信息的初始化计算包括以下步骤：步骤2a.1：令真实观测器状态和控制输入u均为0，通过分类分析方法得到t
k
‑1时刻状态的范数||x(t
k
‑1)||的上界值)||的上界值步骤2a.2：依据区间[t
k
‑1,t
k
+τ
k
]的切换情况得到状态在延时时刻的上界值步骤2a.3：定义单调递增序列步骤2a.4：令为首次满足||x(t
k
+τ
k
)||≤E(t
k
+τ
k
)的时刻；步骤2a.5：令为初始化结束的时刻，由真实观测器状态可得4.根据权利要求3基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，其特征在于，所述步骤2a.1中的分类规则为：第一类：区间[t
k
‑2，t
k
‑1)内无切换；第二类：区间[t
k
‑2，t
k
‑1)内有一个切换。步骤2a.2的切换情况分类为：第一类：区间[t
k
‑1，t
k
+τ
k
]内无切换；第二类：区间[t
k
‑1,t
k
]内有一个切换；第三类：区间[t
k
，t
k
+τ
k
]内有一个切换。5.根据权利要求3基于虚拟观测器的切换系统量化编码控制方法，其特征在于，所述延时时刻的系统状态x(t
k
+τ
k
)和真实观测器状态的差值信息的迭代求解思想为：以第k
‑
1个延时时刻系统状态和真实观测器的误差满足测器的误差满足为分析前
提，分情况设计E(t
k
+τ
k
)，使得6.根据权利要求5基于虚拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫晶晶，王新静，冯肖亮，马利，赵亮，
申请(专利权)人：河南工业大学，
类型：发明
国别省市：