無線充電網(wǎng)絡(luò)的點過程建模與資源優(yōu)化利用

無線充電技術(shù)，為無線網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的持久性運行提供了能量供應(yīng)，可以被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中的能量供應(yīng)與管理。在存在多種無線充電技術(shù)的異質(zhì)無線網(wǎng)絡(luò)中，如何對能量與通信資源進行有效合理的利用是一項重要的研究問題。本研究首先研究無線充電網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的運動特性，采用Markov決策過程優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量與信息傳輸策略，以達到節(jié)點期望效用的最大化目標。隨后，本研究考慮了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間相互關(guān)系，包括節(jié)點對其它節(jié)點產(chǎn)生的正向或負向的性能影響，使用了外部性理論定量的對該類相互影響進行了建模，并使用Stackelberg博弈模型分析了在此類系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的均衡點與最優(yōu)的競爭策略。最后，針對實際場景中系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性與狀態(tài)空間的潛在數(shù)量，本研究使用深度強化學習方法，提出了實際場景中面向大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)資源分配的資源軟件化、資源服務(wù)化和處理方法，避免了因為實際問題規(guī)模增加所帶來的算法失效問題。

無線充電技術(shù)以電磁波為載體向空間中以非接觸的形式發(fā)射能量，可被應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)中能量的持久供應(yīng)。如何對網(wǎng)絡(luò)中的無線充電能量與信息資源進行合理利用是重要的研究問題。由于無線充電網(wǎng)絡(luò)可被認為是一個隨機系統(tǒng)，本課題使用點過程方法對網(wǎng)絡(luò)進行抽象建模，并特別考慮到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的交互關(guān)系，從而建立描述無線充電網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點空間分布與運動特性的數(shù)學模型。基于所建立的數(shù)學模型，本課題采用Markov決策過程分析網(wǎng)絡(luò)中能量與信息傳輸?shù)牟呗裕赃_到節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化利用。在分析資源優(yōu)化利用策略時，本課題根據(jù)無線充電傳輸過程不可加密特性，考慮并提出機制用于消除節(jié)點對電能的竊取導(dǎo)致資源利用效率的降低。為了實現(xiàn)數(shù)學模型和資源優(yōu)化利用方法在實際系統(tǒng)中的應(yīng)用，本課題通過統(tǒng)計與學習實際的移動與分布式系統(tǒng)數(shù)據(jù)集，對點過程和Markov決策過程的重要輸入?yún)?shù)進行估計，使得本課題所提出的理論模型具備現(xiàn)實意義。

本書系統(tǒng)地介紹了一套面向工業(yè)過程控制工程的辨識建模和控制系統(tǒng)設(shè)計方法及應(yīng)用技術(shù),主要基于第一作者和合作者們關(guān)于工業(yè)過程辨識建模和控制方面的成果整理而形成,并且匯編了一些必要的基礎(chǔ)知識,以便讀者從零開始學習并最終掌握這套工程技術(shù)理論與應(yīng)用方法。

本書分兩部分:第一部分針對過程控制工程領(lǐng)域中,按照階躍響應(yīng)特性劃分的對象類型,詳細闡述了開環(huán)穩(wěn)定、積分和不穩(wěn)定過程的動態(tài)特性辨識建模方法以及采樣系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的參數(shù)估計方法;第二部分從基本的單回路控制結(jié)構(gòu)和內(nèi)?？刂圃黹_始,逐步深入介紹了先進的兩自由度控制、采樣控制、主動抗擾控制、反飽和控制、串級控制、多回路控制、多變量解耦控制以及批次過程控制與運行優(yōu)化理論和應(yīng)用方法等。

本書的特點是由淺入深地介紹過程控制工程基本理論與研究成果,注重理論分析與實際應(yīng)用相結(jié)合,每章介紹的主要方法都配有仿真或工程應(yīng)用案例,并且在各章后附有主要方法的仿真程序,以便讀者參考和應(yīng)用測試。同時,各章后配有練習題和仿真作業(yè),以便教師教學使用。

第1章 緒論1

1.1 過程動態(tài)特性辨識建模1

1.1.1 過程辨識建模的對象范圍1

1.1.2 典型的過程動態(tài)特性描述模型3

1.2 模型擬合準則與評價指標6

1.3 過程控制系統(tǒng)組成與技術(shù)發(fā)展8

1.3.1 過程控制系統(tǒng)組成與主要任務(wù)8

1.3.2 過程控制技術(shù)的發(fā)展10

1.4 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性與性能指標11

1.4.1 穩(wěn)定性判據(jù)11

1.4.2 控制性能指標13

1.5 本章小結(jié)16

習題17

參考文獻17

第一部分　過程辨識建模　/20

第2章 基于階躍響應(yīng)實驗辨識開環(huán)穩(wěn)定過程20

2.1 階躍實驗與頻率響應(yīng)估計21

2.2 常用模型結(jié)構(gòu)的參數(shù)辨識方法22

2.2.1 帶時滯參數(shù)的一階模型和重復(fù)極點高階模型22

2.2.2 帶時滯參數(shù)和不同極點的二階模型24

2.2.3 帶時滯參數(shù)和不同極點的高階模型25

2.2.4 一致性參數(shù)估計分析和模型結(jié)構(gòu)選擇27

2.2.5 應(yīng)用案例30

2.3 抗擾辨識模型參數(shù)的方法34

2.3.1 階躍響應(yīng)實驗設(shè)計34

2.3.2 模型參數(shù)辨識35

2.3.3 應(yīng)用案例40

2.4 基于閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗辨識模型參數(shù)42

2.4.1 對象頻率響應(yīng)估計42

2.4.2 模型參數(shù)辨識44

2.4.3 應(yīng)用案例45

2.5 本章小結(jié)47

習題48

參考文獻49

附 辨識算法程序50

第3章 基于階躍響應(yīng)實驗辨識積分和不穩(wěn)定過程54

3.1 基于階躍響應(yīng)實驗辨識積分過程54

3.1.1 頻率響應(yīng)估計54

3.1.2 模型參數(shù)辨識56

3.1.3 應(yīng)用案例58

3.2 基于閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)實驗辨識積分和不穩(wěn)定過程59

3.2.1 積分型過程模型辨識60

3.2.2 不穩(wěn)定型過程模型辨識60

3.2.3 應(yīng)用案例64

3.3 本章小結(jié)68

習題68

參考文獻68

附 辨識算法程序69

第4章 基于持續(xù)激勵實驗抗擾辨識采樣系統(tǒng)74

4.1 線性模型參數(shù)估計74

4.2 迭代辨識算法77

4.3 收斂性分析79

4.4 應(yīng)用案例84

4.5 本章小結(jié)89

習題89

參考文獻89

附 辨識算法程序90

第5章 基于持續(xù)激勵實驗辨識積分型采樣系統(tǒng)92

5.1 輸入激勵設(shè)計93

5.2 模型參數(shù)辨識算法"para" label-module="para">

5.3 收斂性分析97

5.4 應(yīng)用案例98

5.5 本章小結(jié)100

習題100

參考文獻100

附 辨識仿真程序101

第6章 基于持續(xù)激勵實驗辨識非線性系統(tǒng)參數(shù)103

6.1 自適應(yīng)參數(shù)辨識算法103

6.2 收斂性分析108

6.3 應(yīng)用案例109

6.4 本章小結(jié)111

習題111

參考文獻111

附 辨識算法程序112

第二部分　控制系統(tǒng)設(shè)計　/113

第7章 單回路控制113

7.1 內(nèi)?？刂?IMC)原理113

7.2 改進的IMC濾波器設(shè)計115

7.2.1 FOPDT穩(wěn)定過程116

7.2.2 SOPDT穩(wěn)定過程118

7.3 PID整定123

7.3.1 基于IMC設(shè)計的PID整定123

7.3.2 離散域PID整定124

7.4 應(yīng)用案例128

7.5 本章小結(jié)132

習題132

參考文獻133

附 控制仿真程序134

第8章 兩自由度控制136

8.1 開環(huán)穩(wěn)定和積分過程137

8.1.1 抗擾控制器138

8.1.2 設(shè)定點跟蹤控制器140

8.1.3 魯棒穩(wěn)定性分析141

8.1.4 應(yīng)用案例142

8.2 開環(huán)不穩(wěn)定過程148

8.2.1 設(shè)定點跟蹤控制器148

8.2.2 抗擾控制器149

8.2.3 魯棒穩(wěn)定性分析153

8.2.4 應(yīng)用案例154

8.3 本章小結(jié)158

習題159

參考文獻160

附 控制仿真程序161

第9章 采樣控制系統(tǒng)163

9.1 含時滯的開環(huán)穩(wěn)定過程163

9.1.1 抗擾控制器164

9.1.2 設(shè)定點跟蹤控制器166

9.1.3 控制性能評估166

9.1.4 魯棒穩(wěn)定性分析168

9.1.5 應(yīng)用案例169

9.2 含時滯的積分和不穩(wěn)定過程172

9.2.1 抗擾控制器172

9.2.2 設(shè)定點跟蹤控制器175

9.2.3 魯棒穩(wěn)定性分析177

9.2.4 應(yīng)用案例179

9.3 基于通用無時滯輸出預(yù)估器的兩自由度控制184

9.3.1 通用的無時滯輸出預(yù)估器185

9.3.2 兩自由度控制方案187

9.3.3 閉環(huán)抗擾控制器187

9.3.4 設(shè)定點跟蹤控制器191

9.3.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析191

9.3.6 應(yīng)用案例192

9.4 本章小結(jié)197

習題198

參考文獻199

附 控制仿真程序200

第10章 主動抗擾控制(ADRC)203

10.1 含有不確定性和干擾的對象描述203

10.2 基于無時滯輸出預(yù)估的ADRC設(shè)計204

10.2.1 擴張狀態(tài)觀測器(ESO)205

10.2.2 兩自由度控制器206

10.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析207

10.4 應(yīng)用案例210

10.5 本章小結(jié)214

習題214

參考文獻215

附 控制仿真程序215

第11章 反飽和控制217

11.1 含有輸入飽和約束的過程描述217

11.2 基于ADRC的反對稱輸入飽和控制218

11.2.1 反飽和擴張狀態(tài)觀測器219

11.2.2 無時滯輸出預(yù)估器219

11.2.3 兩自由度控制器220

11.2.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析221

11.2.5 應(yīng)用案例226

11.3 基于ADRC的反非對稱輸入飽和控制229

11.3.1 對稱飽和約束變換230

11.3.2 反飽和擴張狀態(tài)觀測器230

11.3.3 廣義預(yù)測器與控制器231

11.3.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析232

11.3.5 應(yīng)用案例235

11.4 本章小結(jié)238

習題239

參考文獻239

附 控制仿真程序240

第12章 串級控制系統(tǒng)244

12.1 開環(huán)穩(wěn)定過程的串級控制244

12.1.1 控制器設(shè)計245

12.1.2 魯棒穩(wěn)定性分析247

12.2 開環(huán)不穩(wěn)定過程的串級控制248

12.2.1 控制器設(shè)計248

12.2.2 魯棒穩(wěn)定性分析249

12.3 應(yīng)用案例250

12.4 本章小結(jié)255

習題256

參考文獻256

附 控制仿真程序257

第13章 多回路控制系統(tǒng)259

13.1 系統(tǒng)輸入-輸出變量配對選擇259

13.1.1 相對增益陣列(RGA)259

13.1.2 奇異值分解(SVD)260

13.2 多回路系統(tǒng)的可控性261

13.3 多回路控制設(shè)計262

13.3.1 期望的對角傳遞函數(shù)矩陣262

13.3.2 多回路PI/PID整定264

13.4 穩(wěn)定性分析264

13.5 應(yīng)用案例266

13.6 本章小結(jié)269

習題269

參考文獻270

附 控制仿真程序271

第14章 多變量解耦控制系統(tǒng)273

14.1 雙輸入雙輸出系統(tǒng)的解耦控制273

14.1.1 解耦控制前提274

14.1.2 期望系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣274

14.1.3 解耦控制器矩陣設(shè)計276

14.1.4 穩(wěn)定性分析279

14.1.5 應(yīng)用案例280

14.2 多輸入多輸出系統(tǒng)的解耦控制284

14.2.1 解耦控制前提284

14.2.2 期望系統(tǒng)傳遞函數(shù)矩陣285

14.2.3 解耦控制器矩陣設(shè)計287

14.2.4 穩(wěn)定性分析288

14.2.5 應(yīng)用案例290

14.3 多變量系統(tǒng)的兩自由度解耦控制295

14.3.1 期望設(shè)定點跟蹤和閉環(huán)抗擾傳遞函數(shù)矩陣295

14.3.2 解耦控制器矩陣設(shè)計297

14.3.3 穩(wěn)定性分析298

14.3.4 應(yīng)用案例300

14.4 本章小結(jié)304

習題305

參考文獻305

附 控制仿真程序307

第15章 批次過程控制310

15.1 基于IMC結(jié)構(gòu)的迭代學習控制(ILC)310

15.1.1 ILC方案310

15.1.2 IMC控制器311

15.1.3 ILC控制器312

15.1.4 穩(wěn)定性分析313

15.1.5 應(yīng)用案例316

15.2 基于PI回路的間接型ILC方法318

15.2.1 間接型ILC方案和二維系統(tǒng)描述319

15.2.2 魯棒PI控制器整定321

15.2.3 ILC控制律設(shè)計323

15.2.4 應(yīng)用案例328

15.3 基于廣義ESO 的間接型ILC方法330

15.3.1 閉環(huán)反饋控制器331

15.3.2 間接型ILC設(shè)計332

15.3.3 應(yīng)用案例335

15.4 本章小結(jié)337

習題338

參考文獻338

附 控制仿真程序340

符號表343

縮寫術(shù)語表344

2100433B

本書是路易斯安那州立大學化學工程系資深教授F. Carl Knopf撰寫，詳細介紹了包括石油化工在內(nèi)的過程工業(yè)有關(guān)過程能量集成原理、建模、計算軟件、工程設(shè)計等方面進行了詳細闡述。本書是國內(nèi)少見的系統(tǒng)介紹包括石油化工在內(nèi)的過程工業(yè)模擬仿真的著作。本書的翻譯、出版，將會有效滿足國內(nèi)石化行業(yè)及相關(guān)從事流程模擬研究的工程技術(shù)人員對于國外高水平學術(shù)著作的閱讀和參考需求。