[发明专利]一种数据驱动预测云控制方法

说明书

本发明提供了一种数据驱动云控制方法，能够快速启动，并且可以处理约束。本发明采用离线数据准备方式，为数据驱动算法准备初始数据，解决了控制系统要求快速启动的问题；同时本发明将云辨识器和云控制器分开设计，首先通过云辨识器得到系统状态空间模型；然后根据模型，添加实际约束，建立最优化问题，使用模型预测控制方法，即滚动优化的方法，求解出最优预测控制序列，解决了现有数据驱动云控制方法不能处理约束的问题，并通过对应时延控制量实现网络补偿。

技术领域

本发明属于云控制技术领域，涉及一种数据驱动预测云控制方法。

背景技术

信息技术的发展催生了许多科技理论成果，为人熟知的就有云计算、物联网、网络化控制等。在新时代，基于这三者的快速发展，云控制系统的概念被提出。现代控制理论的研究方法主要可以分为基于模型(Model-based)和数据驱动(Data-driven)两大类。前者的本质是采用机理或辨识模型的方法建立被控对象的数学模型，然后基于此模型实现系统的控制、优化与决策等目标；数据驱动理论则是利用数据完成对系统的预测、控制、调度、优化、决策等期望功能。当前，工业和控制系统的规模和复杂性持续增长，基于模型的传统分析和控制方法难以解决此类问题；同时，在工业生产过程中，产生、存储了海量的经验和数据，但因计算能力和理论技术的限制，这些数据没有被有效利用。这些问题制约着国民经济的进一步发展。

基于数据驱动预测的云控制系统可有效解决以上问题。作为云控制系统中的一项关键技术，数据驱动预测云控制系统基于网络化控制理论技术，以物联网为应用场景，借助云计算的强大处理能力，不需对被控对象进行机理分析，利用历史数据，直接实现精确、可靠的控制与决策作用。同时，在存在网络时延的条件下，有效、精准地补偿了时延的影响。其中，设计辨识和控制算法是数据驱动预测云控制的关键技术。利用输入输出历史数据，对控制系统进行辨识分析，再由模型预测控制方法获得预测控制序列，以期在网络时滞干扰下，获得精确、可靠的控制效果。但是现有数据驱动云控制方法存在以下两个问题：一，对于快速启动系统，数据准备阶段用时过长；二，数据驱动云控制算法中未考虑约束且存在网路时延。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种数据驱动云控制方法，能够快速启动，并且可以处理约束。

为了达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

步骤1，在本地受控系统和云服务器之间建立通信系统，形成云端-本地控制回路；

步骤2，在云服务器中首先使用PID算法生成或随机输入控制量获得离线数据，将其传输并施加到本地受控系统中，将本地受控系统返回的控制量和对应的输出信息以Hankel矩阵形式储存，得到Hankel矩阵；

步骤3，云服务器根据Hankel矩阵，辨识获得本地受控系统的状态空间矩阵；

步骤4，在云服务器中根据本地受控系统的状态空间矩阵，先利用系统辨识得到本地受控系统的数学模型，基于本地受控系统的数学模型，利用预测控制方法建立系统应满足的约束条件，计算出当前k时刻的最优预测控制序列；记录开始计算时的时刻t₁，并将最优预测控制序列和时刻t₁发送到本地受控系统；

步骤5，本地受控系统记录接收到最优预测控制序列时的时刻t₂；由时刻t₁和时刻t₂算出网络时延τ；在最优预测控制序列中，从第ceil(τ)个分量开始作为实际施加的控制量，施加到本地受控系统，得到对应的输出信息；其中ceil(·)代表向上取整；

将实际施加控制量和对应的输出信息一起返回云服务器，更新Hankel矩阵；重复执行步骤3-5，直至实现稳定控制或重复次数达到设定值，实现数据驱动云控制。

其中，所述步骤3中，根据Hankel矩阵，采用子空间方法、集员理论、无模型自适应理论或迭代学习方法，辨识获得本地受控系统的状态空间矩阵。