多模型建模與控制的理論和方法

　　控制工程領(lǐng)域廣泛存在著這樣一類復(fù)雜非線性系統(tǒng)，由于非線性因素的作用，系統(tǒng)運(yùn)行模態(tài)過于復(fù)雜，或者工作環(huán)境非常惡劣，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)隨著工況的改變而呈現(xiàn)出很強(qiáng)的不確定性。此時(shí)，采用傳統(tǒng)的全局建模方法建立單一的高精度數(shù)學(xué)模型就顯得比較困難。因?yàn)槎鄶?shù)建模方法的使用效果與使用者的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系，要想確定合適的模型結(jié)構(gòu)，獲得高精度的參數(shù)估計(jì)，通常需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來選擇建模算法，調(diào)整建模參數(shù)。有時(shí)候，即使得到了系統(tǒng)的模型，也往往由于模型本身過于復(fù)雜而難以進(jìn)行穩(wěn)定性分析和控制器設(shè)計(jì)。為了解決該問題，控制界的專家和學(xué)者們進(jìn)行了大量的理論和技術(shù)探索，最終發(fā)現(xiàn)基于“分而治之”思想的多模型方法是解決問題的一種有效途徑。多模型方法自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來，已經(jīng)走過了40余年的發(fā)展歷程，無論是在理論、技術(shù)還是在應(yīng)用方面都取得了廣泛的成功。該方法以“分解一合成”原理作為解決問題的自然之道，將復(fù)雜系統(tǒng)的建模與控制問題按照某種確定性準(zhǔn)則進(jìn)行分解，然后分別建立局部模型和控制器，由于局部模型常常是線性的，因此可利用成熟的線性系統(tǒng)理論進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。在問題分解并獲得解答后，即可按照相應(yīng)的合成準(zhǔn)則或調(diào)度機(jī)制協(xié)調(diào)各局部模型或控制器，在保證穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對原復(fù)雜非線性系統(tǒng)的控制。這種建模與控制方法能夠?qū)?fù)雜的非線性問題轉(zhuǎn)化為可用成熟且相對簡單的理論來解決的問題，這對簡化控制器設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的控制性能具有重大意義。當(dāng)前，多模型方法主要有多模型建模方法、多模型控制方法和交互式多模型濾波方法等，但無論哪類方法，需要解決的關(guān)鍵問題無外乎兩點(diǎn)：一是在特定的分解準(zhǔn)則下選擇恰當(dāng)?shù)哪Ｐ图?；二是選擇恰當(dāng)?shù)暮铣蓽?zhǔn)則確保模型調(diào)度的穩(wěn)定性。《多模型建模與控制的理論和方法》內(nèi)容是雷虎民教授及其研究團(tuán)隊(duì)長期研究成果的結(jié)晶。作者近十年來一直從事非線性系統(tǒng)多模型建模與控制理論和方法的研究工作，在國家自然科學(xué)基金“基于局部多模型的高超聲速飛行器在線軌跡生成研究（61503408）”、航空科學(xué)基金“基于數(shù)據(jù)的飛控系統(tǒng)多模型建模與控制方法研究（20100196002）”以及“空空導(dǎo)彈控制系統(tǒng)非線性設(shè)計(jì)研究（2006ZC12004）”的資助下對飛行器的多模型建模與控制問題做了深入的研究和探索，取得了一批成果，《多模型建模與控制的理論和方法》內(nèi)容大部分就來源于此?！抖嗄Ｐ徒Ｅc控制的理論和方法》的另外一部分內(nèi)容則來源于作者的碩博士研究生所撰寫的學(xué)位論文和研究團(tuán)隊(duì)所發(fā)表的學(xué)術(shù)文章。《多模型建模與控制的理論和方法》共10章，主體內(nèi)容由3個(gè)板塊構(gòu)成：第1板塊包括第2_4章，主要論述非線性系統(tǒng)的多模型建模理論與方法，介紹了基于分段仿射方法的多模型離線建模、基于局部模型方法的多模型在線建模、基于即時(shí)學(xué)習(xí)方法的多模型在線建模等內(nèi)容；第二板塊包括第5-8章，主要論述非線性系統(tǒng)的多模型控制理論與方法，介紹了非線性系統(tǒng)的多模型自適應(yīng)控制、基于在線建模的多模型預(yù)測控制、基于在線建模的預(yù)測PID（Proportion Integration Differentiation）控制、基于在線建模的滑模預(yù)測控制等內(nèi)容；第三板塊包括第9章和第10章，主要論述非線性系統(tǒng)多模型建模與控制的理論和方法在飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，介紹了基于多模型的飛機(jī)容錯(cuò)控制方法、基于多模型的導(dǎo)彈飛行控制方法等內(nèi)容。

　　雷虎民，陜西合陽人，空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院教授，控制科學(xué)與工程學(xué)科博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭仗旆烙鶖r截器制導(dǎo)、控制與仿真。從1979年9月開始先后在西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)獲工學(xué)學(xué)士、碩士和博士學(xué)位，西安交通大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)科流動(dòng)站博士后?，F(xiàn)為中國航空學(xué)會航空武器專業(yè)委員會委員，中國自動(dòng)化學(xué)會系統(tǒng)仿真專業(yè)委員會委員，西安慣性技術(shù)學(xué)會理事，《空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》《導(dǎo)航、定位與授時(shí)》《飛行力學(xué)》和《航空兵器》編委。獲軍內(nèi)外科技進(jìn)步獎(jiǎng)12項(xiàng)，授權(quán)國防發(fā)明專利2項(xiàng)，發(fā)表論文150余篇，SCI/EI檢索論文70余篇，出版著作3部，指導(dǎo)碩博士生60多名，獲陜西省三秦人才獎(jiǎng)和軍隊(duì)院校育才獎(jiǎng)金獎(jiǎng)。邵雷，湖北天門人，2009年畢業(yè)于空軍工程大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)獲工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)任空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)榉揽辗磳?dǎo)武器系統(tǒng)總體和飛行器制導(dǎo)與控制技術(shù)。主持和參與科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲軍隊(duì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，被國際檢索收錄17篇，出版教材5部。楊遵，河南鎮(zhèn)平人，2007年畢業(yè)于空軍工程大學(xué)導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任空軍空降兵學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)建模與仿真實(shí)驗(yàn)。獲軍隊(duì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)，授權(quán)國防發(fā)明專利5項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，出版教材3部。