Intelligent Ship Integrated Energy System and Its Distributed Optimal Scheduling Algorithm
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摘要: 船舶航运污染是阻碍海洋经济发展、海洋强国建设的瓶颈问题. 智能船舶为航运业绿色环保发展提供了重要手段. 为进一步开发船载新能源, 提升能源综合利用效率, 降低船舶航运污染排放, 本文构建以能量优化调度系统为核心、以能源转换中心为枢纽的智能船舶综合能源系统; 考虑其特有的动力系统负荷需求、航行低污染排放量标准以及电−热多能流耦合供能特性, 建立智能船舶综合能源系统能量优化调度目标函数及相关约束条件; 并基于宽度学习、带有广义噪声的多智能体分布式优化相关理论, 提出可快速准确地预测全航程各时段负荷需求、可容纳复杂干扰的分布式优化调度方法, 实现高效的智能船舶综合能源系统能量优化调度, 保障智能船舶经济、可靠、稳定航行. 仿真分析验证了所提出智能船舶综合能源系统分布式优化调度方法的有效性.Abstract: Shipping pollution seriously hinders the development of marine economy and becomes a key bottleneck in the construction of a powerful marine country. The emergence of intelligent ship provides an important means for the green maritime transportation and sustainable development of shipping industry. In order to further develop new energy on board, improve the comprehensive energy efficiency and reduce the emission of shipping pollution, this paper takes the energy conversion center as the hub and constructs the model of intelligent ship integrated energy system cored with the energy optimal scheduling system. Simultaneously, the objective function and relevant constraints of energy optimal scheduling, of the intelligent ship integrated energy system are established in the conditions of the special dynamical system's load demand, low pollution emission standard of navigation and the electrothermal coupling supply characteristics. On the other hand, combined with broad learning and multi-agent distributed optimization theory with generalized noise, a distributed optimal scheduling method is proposed. This method can not only predict the load demand of all periods of the whole voyage quickly and accurately, but also accommodate complex noises, which can realize the efficient energy optimal scheduling of the intelligent ship integrated energy system and ensure the economic, reliable and stable navigation of the intelligent ship. Finally, the simulation results show the effectiveness of the proposed distributed optimal scheduling method.
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$ H_{\infty} $控制理论主要研究抑制干扰和不确定性问题[1].在$ H_{\infty} $控制理论中, 传递函数(或系统)的$ H_{\infty} $范数是一项重要的性能指标, 用于度量扰动输入对系统输出的影响, 反映了闭环系统的抗扰能力.在$ H_{\infty} $控制理论研究中, 长期存在一个挑战性议题:是否能够直接给出关于$ H_{\infty} $范数的通用解析表达式, 进而避免针对线性矩阵不等式(Linear matrix inequality, LMI)约束条件的繁琐的$ H_{\infty} $范数近似寻优方案.
在20世纪80年代, $ H_{\infty} $控制理论的研究由频域转换到时域, 开启了基于状态空间方程描述的系统鲁棒性能研究[2].总的来说, $ H_{\infty} $性能时域分析面临的核心问题是如何选择适当的李雅普诺夫函数.具体表现为基于李雅普诺夫方程[3-4]或参数化Riccati不等式[5]均难以得到用于精确分析系统$ H_{\infty} $性能的最优李雅普诺夫函数, 因此在早期的研究中结果的保守性是难以避免的.
为精确求解$ H_{\infty} $范数, 有学者提出了有界实引理[6], 并将求解$ H_{\infty} $范数问题转化为时域状态空间的约束优化问题.基于有界实引理给出的LMI约束条件, $ H_{\infty} $范数能够被近似寻优[7-14].在LMI方法中, $ H_{\infty} $范数的寻优一般包含以下步骤:
1) 给出一个充分大的初始$ H_{\infty} $范数估计$ \mit\gamma $;
2) 解LMI问题;
3) 递减$ H_{\infty} $范数估计$ \mit\gamma $, 直到获得满足LMI条件的最小$ H_{\infty} $范数估计$ \mit\gamma $.
显然, 一旦最小$ H_{\infty} $范数估计得到, 则通过解LMI, 可以得到相应的近似最优李雅普诺夫函数.不难发现, LMI方法存在一定不足, 表现为:
1) 对于每一个给定的$ \mit\gamma $, LMI条件需要被重复求解, 直到找到最小的$ H_{\infty} $范数估计, 过程过于繁琐;
2) 这种试凑逼近方法无法揭示系统结构和参数对$ H_{\infty} $性能的影响, 在一定程度上限制了控制器精细设计的研究.
为了克服目前关于$ H_{\infty} $范数问题研究的不足, 一个可替换的方法是直接优化李雅普诺夫函数, 进而得到关于$ H_{\infty} $范数的通用解析表达式.目前, 针对系统具体性能, 难以找到李雅普诺夫函数设计的充要条件, 因此这方面的研究并不多见.事实上, 在分析系统具体性能时, 存在最优的李雅普诺夫函数, 并且这一最优李雅普诺夫函数与系统结构和参数存在内在关系[15].因此本文尝试寻找一种李雅普诺夫函数的直接优化途径, 进而实现$ H_{\infty} $性能的精确分析.
由于多数高阶系统在一定的条件下可以近似(或分解)为二阶系统来研究, 并且二阶系统的分析方法是分析高阶系统的基础[16], 因此为有效展现最优李雅普诺夫函数与系统结构和参数存在内在关系, 本文针对一类二阶系统的$ H_{\infty} $范数问题, 构造和优化李雅普诺夫函数, 进而得到$ H_{\infty} $范数的通用解析表达式.本文的研究避免了LMI方法中繁琐的近似寻优过程, 并展示了系统矩阵特征值的实部和虚部对$ H_{\infty} $性能的影响.本文结构如下:第1节分析$ H_{\infty} $范数问题; 第2节分析Riccati不等式中李雅普诺夫函数的选择对求解$ H_{\infty} $范数的影响; 第3节展现李雅普诺夫函数的直接优化方法, 并给出$ H_{\infty} $范数的通用解析表达式; 第4节给出算例, 验证李雅普诺夫函数直接优化方法的有效性.
1. 问题的提出
1.1 问题描述
系统描述为
$ \begin{align} \dot{\boldsymbol{ x}} = A {\boldsymbol{ x}}+ {\boldsymbol{ w}} \end{align} $
(1) 其中, $ {\boldsymbol{ x}} \in \textbf{R}^{2} $, $ A $为Hurwitz矩阵, $ A $的特征值为复数, $ {\boldsymbol{ w}} $为扰动输入, $ \|{\boldsymbol{ w}}\| \leq \delta $, $ \delta $为常数, $ \|{\boldsymbol{ w}}\| = (\Sigma^{2}_{i = 1}w^{2}_{i})^{\frac{1}{2}} $.
研究的问题是如何得到系统(1)的状态上界.在数学意义上, 这一问题可转化为关于输入–输出系统的$ H_{\infty} $范数问题, 其中系统描述为
$ \begin{align} \begin{cases} \dot{\boldsymbol{ x}} = A {\boldsymbol{ x}} + {\boldsymbol{ w}} \\ {\boldsymbol{ y}} = {\boldsymbol{ x}} \end{cases} \end{align} $
(2) 在$ H_{\infty} $控制理论中, 系统的$ H_{\infty} $范数定义为$ S $右半平面上解析的有理函数阵的最大奇异值.在标量函数中就是幅频特性的极大值, 代表了系统对峰值有界信号的传递特性.
1.2 LMI方法分析
令李雅普诺夫函数为$ V = {\boldsymbol{ x}}^{\rm T}P{\boldsymbol{ x}} $, $ \gamma $为系统(2)的$ H_{\infty} $范数, 即$ \mit\gamma = \|G\|_{\infty} $, 其中$ G(s) = (sI-A)^{-1} $为系统(2)的传递函数.根据有界实引理, 可得
$ \begin{align} \left[ \begin{array}{ccc} PA+A^{\rm{T}}P & P & I \\ P & -\gamma^{2} I & 0_{2\times 2} \\ I & 0_{2\times 2} & -I \\ \end{array} \right] < 0 \end{align} $
(3) LMI方法是寻找式(3)中$ \mit\gamma $的最小值$ \mit\gamma_{\rm{min}} $.由于李雅普诺夫函数$ V = {\boldsymbol{ x}}^{\rm T}P {\boldsymbol{ x}} $可以任意构造, 因此对于每一个给定的$ \mit\gamma $, 需要重复求解LMI, 以判断式(3)的存在性, 直到$ \mit\gamma_{\rm{min}} $被找到.显然, 在LMI方法中复杂的优化过程是不可避免的.事实上, $ \mit\gamma_{\rm{min}} $与最优的$ P $矩阵是一一对应的.如果能够直接给出最优的$ P $矩阵, 则$ \mit\gamma_{\rm{min}} $的表达式就能够得到, 进而避免LMI方法中复杂的优化过程.本文的工作是尝试提供一种新的途径来直接给出$ \mit\gamma_{\rm{min}} $的表达式.
2. $ \pmb H_{\boldsymbol{ \infty}} $范数分析
根据特征值和奇异值分解原理, 可以得到下面的特性.
特性1. 对于系统(2)中特征矩阵$ A $, 存在可逆矩阵$ T $, 满足
$ \begin{align} D = -TAT^{-1} = \left[ \begin{array}{cc} \lambda & \nu \\ -\nu & \lambda \\ \end{array} \right] \end{align} $
(4) 其中, $ T = \Theta_{T1} \times \text{diag}\{t_{1}, t_{2}\} \times \Theta_{T2} $, $ \Theta_{T1} $和$ \Theta_{T2} $为正交矩阵, $ t_{2} \geq t_{1} > 0 $, $ \lambda > 0 $, $ \nu > 0 $. $ \text{diag}\{t_{1}, t_{2}\} $表示对角元素为$ t_{1} $, $ t_{2} $的对角阵.
令$ \alpha = {t_{2}}/{t_{1}} \geq 1 $, $ {\boldsymbol{ y}} = \Theta_{T2} \times {\boldsymbol{ x}} $, $ {\boldsymbol{ {\Delta}}} = \Theta_{T2}\times{\boldsymbol{ w}} $.由式(2)和特性1, 得
$ \begin{align} \begin{cases} \dot{\boldsymbol{ y}} = E {\boldsymbol{ y}} + B {\boldsymbol{ {\Delta}}} \\ {\boldsymbol{ x}} = C {\boldsymbol{ y}} \end{cases} \end{align} $
(5) 其中, $ B = I $为单位阵, $ C = \Theta_{T2}^{-1} $, $ E = - \left[ {array}{cc} \lambda & \alpha \nu \\ -\frac{1}{\alpha}\nu & \lambda \\ {array} \right], $并且系统(2)和(5)具有相同的$ H_{\infty} $范数.
根据文献[5]中引理2.1, 可以得到下面的特性.
特性2. 对于系统(5), 存在正定矩阵$ X $, 满足Riccati不等式
$ \begin{align} E^{\rm T}X+XE+(1+\varepsilon)C^{\rm T}C+ \rho^{-2} XBB^{\rm T}X \leq 0 \end{align} $
(6) 其中, $ \gamma < \rho $, $ \gamma = \|G\|_{\infty} $为系统$ H_{\infty} $范数, $ \varepsilon $为趋于零的正数.
注1. 应用Riccati不等式一般会得到具有很强保守性的结果, 但这种保守性并不是Riccati不等式本身导致的.研究表明:基于李雅普诺夫函数的准确选择, 可以将特性2中Riccati不等式转化为等式, 进而精确给出$ H_{\infty} $范数.因此, 导致这种保守性的原因是:在应用Riccati不等式时, 目前尚没有有效的方法找到最优的李雅普诺夫函数.这正是本文研究李雅普诺夫函数构造(或优化)的动机.
令
$ \begin{align} \Upsilon = \, &K^{-1} \Theta \begin{bmatrix} \lambda & -\frac{1}{\alpha} \nu \\ \alpha \nu & \lambda \end{bmatrix}\Theta^{\rm T}\; + \nonumber \\&\Theta \begin{bmatrix} \lambda & \alpha \nu \\ -\frac{1}{\alpha} \nu & \lambda \\ \end{bmatrix} \Theta^{\rm T}K^{-1} - K^{-1}K^{-1} \end{align} $
(7) 其中, $ \alpha \geq 1 $,
$ \begin{align} K = \iota \left[ \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & k \\ \end{array} \right], \;\;\;\; \Theta = \left[ \begin{array}{cc} \cos \theta & \sin \theta \\ -\sin \theta & \cos \theta \\ \end{array} \right] \end{align} $
(8) $ \iota >0 $, $ k \geq 1 $, $ 0 \leq \theta \leq {\pi}/{4} $.
由式(8)构造的李雅普诺夫函数分解了"放缩"和"旋转"作用.这种功能的分解使李雅普诺夫函数的参数优化具有了可行性.
定理1. 对于系统(5), 系统$ H_{\infty} $范数$ \gamma $满足
$ \begin{align} \gamma < \rho_{\rm{min}} = \left[\sqrt{\lambda_{\rm{min}}(\Upsilon)} \right]^{-1} \end{align} $
(9) 其中, $ \lambda_{\rm{min}}(\Upsilon) $为矩阵$ \Upsilon $的最小特征值.
证明. 令$ X = \Theta^{\rm T} K \Theta $, 其中, $ K $和$ \Theta $由式(8)给出.根据特性2和式(7), 得
$ \begin{align} \rho^{-2} I \leq \Upsilon - \varepsilon K^{-1}K^{-1} \end{align} $
(10) 则$ \rho^{-2} \leq \lambda_{\rm{min}}(\Upsilon- \varepsilon K^{-1}K^{-1}) $, 由于$ \gamma < \rho $, 并且$ \varepsilon $为趋于零的正数, 则式(9)成立.
注2. 根据定理1, 可以优化李雅普诺夫函数的参数, 以最大化$ \lambda_{\rm{min}}(\Upsilon) $, 进而精确估计系统$ H_{\infty} $范数.因此, 定理1给出了一种新的途径以得到系统的$ H_{\infty} $范数.
3. 李雅普诺夫函数优化
考查式(7)给出的矩阵$ \Upsilon $.由式(7)和式(8), 可得
$ \begin{align} \Upsilon = \frac{1}{\iota} \left[ \begin{array}{cc} 2\lambda + \beta \nu - \frac{1}{\iota} & \frac{1}{k} \sigma \nu \\ \frac{1}{k} \sigma \nu & \frac{1}{k}(2 \lambda - \beta \nu) - \frac{1}{\iota k^{2}} \\ \end{array} \right] \end{align} $
(11) 其中,
$ \begin{align} \beta = &\ \left(\alpha-\frac{1}{\alpha}\right) \sin 2\theta \end{align} $
(12) $ \begin{align} \sigma = &\, \left[\alpha- (\alpha-\frac{1}{\alpha}) \sin^{2} \theta \right] -k \left[\frac{1}{\alpha} + (\alpha-\frac{1}{\alpha}) \sin^{2} \theta \right] = \\ &\ \frac{1}{2}(1-k)(\alpha+\frac{1}{\alpha}) +\frac{1}{2}(1+k) (\alpha-\frac{1}{\alpha}) \cos 2\theta \end{align} $
(13) 根据式(11), 以最大化$ \lambda_{\rm{min}}(\Upsilon) $为目标, 将给出一种李雅普诺夫函数的优化方法.
3.1 李雅普诺夫函数优化策略
令
$ \begin{align} \Upsilon_{1} = \Theta^{-1} \Upsilon \Theta, \; \; Y_{1} = X^{-1} \end{align} $
(14) 则由式(7)和$ X = \Theta^{\rm T}K\Theta $, 得
$ \begin{align} \Upsilon_{1} = EE^{\rm T}-(E+Y_{1})(E+Y_{1})^{\rm T} \end{align} $
(15) 令
$ \begin{align} &EE^{\rm T} = \Theta_{1}^{\rm T} \Lambda \Theta_{1}, \quad \Upsilon_{2} = \Theta_{1} \Upsilon_{1} \Theta_{1}^{\rm T} \end{align} $
(16) $ \begin{align} &E_{1} = \Theta_{1} E \Theta_{1}^{\rm T}, \qquad Y_{2} = \Theta_{1} Y_{1} \Theta_{1}^{\rm T} \end{align} $
(17) 其中, $ \Lambda = {\rm diag}\{\sigma_{1}, \sigma_{2}\} $, $ \sigma_{1} \geq \sigma_{2} $, 则
$ \begin{align} \Upsilon_{2} = \Lambda - (E_{1}+Y_{2})(E_{1}+Y_{2})^{\rm T} \end{align} $
(18) 令
$ \begin{align} E_{1} = E_{R}+E_{J}, \; \; Y_{3} = E_{R}+Y_{2} \end{align} $
(19) 其中, $ E_{R}^{\rm T} = E_{R} $, $ E_{J} = -E_{J}^{\rm T} $, 则
$ \begin{align} \Upsilon_{2} = \Lambda - (E_{J}+Y_{3})(E_{J}+Y_{3})^{\rm T} \end{align} $
(20) 令
$ \begin{align} Y_{3} = \left[ \begin{array}{cc} y_{1} & y_{3} \\ y_{3} & y_{2} \\ \end{array} \right], \; \; E_{J} = \left[ \begin{array}{cc} 0 & a \\ -a & 0 \\ \end{array} \right] \end{align} $
(21) 则根据$ \Lambda = \text{diag}\{\sigma_{1}, \sigma_{2}\} $, 有$ \sigma_{1} \geq \sigma_{2} $,
$ \begin{align} \Upsilon_{2} = & \left[ \begin{array}{cc} \sigma_{1}-(y_{3}+a)^{2}-y_{1}^{2} \\ -(y_{1}+y_{2})y_{3}-(y_{2}-y_{1})a \\ \end{array}\right.\\ &\qquad\qquad\qquad \left. \begin{array}{cc} & -(y_{1}+y_{2})y_{3}-(y_{2}-y_{1})a \\ & \sigma_{2} -(y_{3}-a)^{2}-y_{2}^{2} \\ \end{array} \right] \end{align} $
(22) 根据式(14), (16), (21), (22)和定理1, 存在$ Y_{3} $, 使$ \lambda_{\rm{min}}(\Upsilon_{2}) $ $ > $ $ 0 $, 即$ \Upsilon_{2} $正定.因此根据式(22), 为了最大化$ \Upsilon_{2} $的最小特征值, 应使下面两个条件成立.
1) $ (y_{1}+y_{2})y_{3}+ (y_{2}-y_{1})a = 0 $ (例如$ y_{2} = 0 $, $ y_{3} = a $; 或$ y_{1} = y_{2} = 0 $).
2) $ \Upsilon_{2} $的特征值相等(例如$ y_{1}^{2} = \sigma_{1}-\sigma_{2}-4a^{2} $; 或$ y_{3} $ $ = $ $ (\sigma_{1}-\sigma_{2})/{4a} $).
注意, $ \sqrt{\sigma_{2}} $为$ E $的最小奇异值, 因此$ \gamma \geq {1}/{\sqrt{\sigma_{2}}} $.令
$ \begin{align} \lambda_{1} = \frac{1}{\iota}\left( 2\lambda + \beta \nu - \frac{1}{\iota} \right), \; \; \lambda_{2} = \frac{1}{\iota}\left[ \frac{1}{k}(2 \lambda - \beta \nu) - \frac{1}{\iota k^{2}} \right] \end{align} $
(23) 基于以上分析, 并根据式(9), (11), (14), (16)和(23), 为了最大化$ \Upsilon $的最小特征值, 李雅普诺夫函数的优化策略设计为$ \sigma = 0 $和$ \lambda_{1} = \lambda_{2} $.
3.2 李雅普诺夫函数参数优化
基于所给李雅普诺夫函数优化策略, 进一步优化李雅普诺夫函数参数.
定理2. 对于系统(5), 系统$ H_{\infty} $范数$ \gamma $满足
$ \begin{align} \gamma < \rho(k, \iota) = \left[\min(\lambda_{1}, \lambda_{2}) \right]^{-\frac{1}{2}} \end{align} $
(24) 其中, $ \lambda_{1} $和$ \lambda_{2} $由式(23)给出, 式(23)中$ \beta $由下式给出.
$ \begin{align} \beta = \frac{2}{k+1}\sqrt{\left(k \alpha-\frac{1}{\alpha}\right)\left(\alpha- \frac{k}{\alpha}\right)} \end{align} $
(25) 证明. 考查式(11)给出的矩阵$ \Upsilon $.令$ \sigma = 0 $, 则
$ \begin{align} \cos 2\theta = \frac{(k-1)(\alpha+\frac{1}{\alpha})}{(k+1)(\alpha-\frac{1}{\alpha})} \end{align} $
(26) 因此根据式(11), (12), (23)和$ 0 \leq \theta \leq {\pi}/{4} $, 矩阵$ \Upsilon $的特征值为$ \lambda_{1} $和$ \lambda_{2} $, 其中$ \beta $由式(25)给出.根据定理1, 可得式(24).
注3. 基于李雅普诺夫函数参数矩阵$ \Theta $的优化策略, 定理2进一步给出系统$ H_{\infty} $范数的估计., 同时奠定了进一步优化李雅普诺夫函数参数$ k $和$ \iota $的基础.
定理3. 对于系统(5), 系统$ H_{\infty} $范数$ \gamma $满足
$ \begin{align} \gamma < \rho(k) = \begin{cases} \frac{1}{\lambda}, & \text{若}\; \alpha = 1\\ \left[ f(k)\right]^{-\frac{1}{2}}, & \text{若}\; \alpha >1 \end{cases} \end{align} $
(27) 其中,
$ \begin{align} f(k) = \frac{4k}{(k+1)^{2}} \left[ \lambda^{2} + \nu^{2} - \frac{k \nu^{2}}{(k-1)^{2}} \left(\alpha-\frac{1}{\alpha}\right)^{2} \right] \end{align} $
(28) 证明. 考查式(23)给出的矩阵$ \Upsilon $的特征值为$ \lambda_{1} $和$ \lambda_{2} $.令$ \lambda_{1} = \lambda_{2} $, 即
$ \begin{align} 2\lambda + \beta \nu - \frac{1}{\iota} = \frac{1}{k}(2 \lambda - \beta \nu) - \frac{1}{\iota k^{2}} \end{align} $
(29) 其中, $ \beta $由式(25)给出, $ \alpha \geq 1 $.
当$ \alpha > 1 $时, 由式(25)和式(29)可知$ k \neq 1 $, 并且得
$ \begin{align} \frac{1}{\iota} = \frac{2k \lambda}{k+1}+\frac{2k \nu}{k^{2}-1} \sqrt{\left(k \alpha- \frac{1}{\alpha}\right)\left(\alpha-\frac{k}{\alpha}\right)} \end{align} $
(30) 当$ \alpha = 1 $时, 由式(25)可知$ (k-1)^{2} \leq 0 $, 即$ k = 1 $.则根据式(23), (25), (29), $ \lambda_{1} = \lambda_{2} = \frac{1}{\iota} (2 \lambda-\frac{1}{\iota}) $.当$ \iota = \lambda $时, 得$ \max (\lambda_{1}) = \lambda^{2} $.
基于以上分析, 并根据定理2和式(23), (25), (29)以及(30), 可得结论.
注4. 通过给出李雅普诺夫函数参数$ \iota $的优化策略, 定理3进一步给出系统$ H_{\infty} $范数的估计.根据定理3, 可以直接优化李雅普诺夫函数参数$ k $, 进而得到系统$ H_{\infty} $范数的精确估计.
注5. 注意, 当$ \alpha > 1 $时, $ k \neq 1 $.因此定理3通过分别讨论$ \alpha > 1 $和$ \alpha = 1 $两种情况, 解决了$ f(k) $的奇异问题.
令
$ \begin{align} \kappa = k + \frac{1}{k} > 2 \end{align} $
(31) 则由式(28), 得
$ \begin{align} f(\kappa) = \frac{4(\lambda^{2} + \nu^{2})}{\kappa+2} - \frac{4\nu^{2}}{\kappa^{2}-4} \times \left(\alpha-\frac{1}{\alpha}\right)^{2} \end{align} $
(32) 定理4. 对于系统(5), 系统$ H_{\infty} $范数$ \gamma $满足
$ \begin{align} \gamma < \rho_{\text{opt}} = \begin{cases} \frac{1}{\lambda}, & \text{若}\; \alpha = 1\\ \frac{1}{2\lambda}\sqrt{\alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}}+2}, &\text{若}\; \kappa_{0} \geq \alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}}\\ \left[ f(\kappa_{0})\right]^{-\frac{1}{2}}, &\text{若}\; \kappa_{0} < \alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}} \end{cases} \end{align} $
(33) 其中
$ \begin{align} &f(\kappa_{0}) = \frac{4(\lambda^{2} + \nu^{2})}{\kappa_{0}+2} - \frac{4\nu^{2}}{\kappa_{0}^{2}-4} \times \left(\alpha-\frac{1}{\alpha}\right)^{2} \end{align} $
(34) $ \begin{align} &\kappa_{0} = 2 + \frac{\nu^{2} (\alpha-\frac{1}{\alpha})^{2}}{\lambda^{2} + \nu^{2}} \times \left[ 1+\sqrt{1+ \frac{4(\lambda^{2} + \nu^{2})}{\nu^{2} (\alpha-\frac{1}{\alpha})^{2}}} \right] \end{align} $
(35) 证明. 由式(32), 得
$ \begin{align} f'(\kappa) = \frac{{\rm d} f(\kappa)}{{\rm d} \kappa} = -\frac{4(\lambda^{2} + \nu^{2})}{(\kappa+2)^{2}} +\frac{8(\alpha-\frac{1}{\alpha})^{2} \nu^{2} \kappa}{(\kappa+2)^{2}(\kappa-2)^{2}} \end{align} $
(36) 令$ f'(\kappa) = 0 $, 即
$ \begin{align} \kappa^{2} - \left[ 4+ \frac{2(\alpha-\frac{1}{\alpha})^{2} \nu^{2}}{\lambda^{2} + \nu^{2}} \right] \kappa +4 = 0 \end{align} $
(37) 根据$ \kappa >2 $和式(35), 得$ \kappa = \kappa_{0} $.
根据式(35) $ \sim $ (37), 得
$ \begin{align} \lim \limits_{\varsigma \rightarrow 0} \frac{f'(\kappa_{0} + \varsigma)-f'(\kappa_{0})}{\varsigma} <0 \end{align} $
(38) 因此, 在$ 2 < \kappa < \infty $的条件下, $ \max f(\kappa) = f(\kappa_{0}) $, 如图 1 (a)和1 (b)所示.
注意, 定理2中李雅普诺夫函数参数矩阵$ \Theta $的优化策略为$ \sigma = 0 $, 则由式(13), 可得$ k \leq \alpha^{2} $.由于$ k >1 $, 因此根据式(31), 得
$ \begin{align} \Omega = \left\{ \kappa \in \textbf{R} | 2 < \kappa \leq \alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}} \right\} \end{align} $
(39) $ \begin{align} \max \limits_{k \in \Omega} f(\kappa) = \begin{cases} \frac{4\lambda^{2}}{\alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}}+2}, &\text{若}\; \kappa_{0} \geq \alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}}\\ f(\kappa_{0}), & \text{若}\; \kappa_{0} < \alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}} \end{cases} \end{align} $
(40) 因此由定理3可得结论.
注6. 通过对李雅普诺夫函数参数的直接优化, 定理4给出了系统$ H_{\infty} $范数上界的优化结果.应用定理4, 可以给出系统$ H_{\infty} $范数的精确估计.
注7. 不同于LMI方法, 本文提出的李雅普诺夫函数直接优化方法分析了李雅普诺夫函数的构造对系统性能分析的影响, 充分利用系统结构和参数以优化李雅普诺夫函数的设计.与LMI方法相比, 李雅普诺夫函数直接优化方法能够直接给出系统$ H_{\infty} $范数的精确结果, 进而避免了复杂的数值优化过程.因此本文的工作提供了一种新的途径以更为方便地分析系统动态性能.
4. 算例
考查系统
$ \begin{align} \dot{\boldsymbol{ x}} = -\left[ \begin{array}{cc} 1.25 & 1.25 \\ -1.25 & 2.75 \\ \end{array} \right]{\boldsymbol{ x}}+ {\boldsymbol{ w}} \end{align} $
(41) 其中, $ {\boldsymbol{ w}} $为扰动输入, $ \|{\boldsymbol{ w}}\| \leq 1 $, $ {\boldsymbol{ x}} $为状态输出.根据式(5), 得
$ \begin{align} \begin{cases} \dot{\boldsymbol{ y}} = - \left[ \begin{array}{cc} 2 & 2 \\ -0.5 & 2 \\ \end{array} \right] {\boldsymbol{ y}} + {\boldsymbol{ {\Delta}}} \\ {\boldsymbol{ x}} = \frac{\sqrt{2}}{2} \left[ \begin{array}{cc} 1 & -1 \\ 1 & 1 \\ \end{array} \right] {\boldsymbol{ y}} \end{cases} \end{align} $
(42) 因此, $ \lambda = 2 $, $ \nu = 1 $, $ \alpha = 2 $.
由式(34), 得$ \kappa_{0} = 3.8651< \alpha^{2}+\frac{1}{\alpha^{2}} = 4.25 $.则根据定理4, 得$ \gamma < \rho_{\text{opt}} = 0.622 $.因此$ \gamma \approx 0.622 $.应用MATLAB中$ H_{\infty} $范数求解函数hinfnorm (sys, 0.0000001)可得相同的结果.因此提出的李雅普诺夫函数直接优化方法能精确给出系统$ H_{\infty} $范数.
表 1进一步给出在不同参数条件下系统(5)的$ H_{\infty} $范数.表 1表明, 针对式(5)给出的具有不同参数的系统, 提出的李雅普诺夫函数直接优化方法都能精确给出系统$ H_{\infty} $范数.
表 1 $H_{\infty}$范数分析($\alpha = 2$)Table 1 $H_{\infty}$ norm analysis ($\alpha = 2$)$\lambda$ $\nu$ MATLAB 定理4 稳态误差$\|A^{-1}\|$ 状态上界 2 6 0.626 0.626 0.307 0.626 2 4 0.626 0.626 0.419 0.626 2 2 0.626 0.626 0.588 0.626 2 1.2 0.626 0.626 0.626 0.626 2 1 0.622 0.622 0.622 0.622 2 0 0.501 0.501 0.501 0.501 在$ \alpha $和系统特征值实部$ \lambda $确定(即$ \alpha = 2 $, $ \lambda = 2 $)的条件下, 表 1给出的结果表明, 随着系统特征值虚部$ \nu $变化, $ H_{\infty} $范数的变化具有一定规律性, 表现为:
1) 当$ \nu = \nu^{*} = 1.2 $ (即$ \kappa_{0} = \alpha^{2}+{1}/{\alpha^{2}} $)时, $ H_{\infty} $范数为$ \max \|A^{-1}\| $;
2) 当$ \nu < \nu^{*} $ (即$ \kappa_{0} < \alpha^{2}+{1}/{\alpha^{2}} $)时, $ H_{\infty} $范数与稳态指标$ \|A^{-1}\| $一致;
3) 当$ \nu > \nu^{*} $ (即$ \kappa_{0} > \alpha^{2}+{1}/{\alpha^{2}} $)时, $ H_{\infty} $范数为固定值(即$ H_{\infty} $范数的值与$ \nu $无关), 并且根据定理4, $ H_{\infty} $范数的表达式非常简洁.
由式(1), (3), (41), 得
$ \begin{align} \begin{bmatrix} -P \begin{bmatrix} 1.25 & 1.25 \\ -1.25 & 2.75 \\ \end{bmatrix} -\small{ \begin{bmatrix} 1.25 & -1.25 \\ 1.25 & 2.75 \\ \end{bmatrix}}P & P & I \\ P & -\gamma^{2} I & 0_{2\times 2} \\ I & 0_{2\times 2} & -I \end{bmatrix} < 0 \end{align} $
(43) 采用LMI方法求解$ H_{\infty} $范数的步骤为:
1) 选择足够大的$ \gamma $, 如$ \gamma = 10 $;
2) 应用MATLAB中LMI工具求解式(43), 可得$ P $存在;
3) 减小$ \gamma $取值, 如$ \gamma = 1 $, 应用LMI工具求解式(43), 可得$ P $存在;
4) 当$ \gamma = 0.622 $时, 应用LMI工具求解式(43), 可得$ P $存在;
5) 当$ \gamma = 0.621 $时, 应用LMI工具求解(43), 可得$ P $不存在.
基于以上步骤, LMI方法可给出$ H_{\infty} = 0.622 $.这一结果与定理4得到的结果一致, 如表 1所示.
事实上, LMI方法需要对$ \gamma $进行遍历寻找.当选$ \gamma $的间隔较大时, 保守的结果不可避免.与之相比, 本文的方法具有明显的优越性.
5. 结论
本文针对$ H_{\infty} $控制理论研究中难以精确求解系统$ H_{\infty} $范数的问题, 提出了一种李雅普诺夫函数的直接优化方法.通过优化Riccati不等式中的李雅普诺夫函数, 给出了$ H_{\infty} $范数的通用解析表达式, 进而提供了一个有效的途径以直接和精确求解系统$ H_{\infty} $范数.研究结果具有以下特点:
1) 与LMI方法相比, 本文所提方法避免了复杂的数值优化过程, 使求解系统$ H_{\infty} $范数简化.
2) 与早期关于李雅普诺夫方程和Riccati不等式的研究相比, 本文所提方法避免了由于李雅普诺夫函数选择的随意性导致的保守结果.
3) 本文所提方法能够展现系统矩阵特征值的实部和虚部对$ H_{\infty} $性能的影响, 为进一步精确(定量)控制系统$ H_{\infty} $性能提供借鉴.
在进一步的工作中, 将研究含有时滞及非线性项的系统.
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图 1 智能船舶综合能源系统基本结构框图
Fig. 1 The typical architecture of intelligent ship integrated energy system
图 2 智能船舶综合能源系统仿真模型
Fig. 2 The simulation model of intelligent ship integrated energy system
图 3 智能船舶综合能源系统全航程分布式优化调度考虑的广义噪声干扰
Fig. 3 The general noise considered in the distributed optimal scheduling during the whole voyage of intelligent ship integrated energy system
图 4 船舶航行
$6\sim 10 $ 小时时段各供能设备电输出功率Fig. 4 Electricity output of each energy supply equipment during
$6\sim 10 $ hours sailing
图 5 船舶航行
$6\sim 10 $ 小时时段各供能设备热输出功率Fig. 5 Heat output of each energy supply equipment during
$6\sim 10 $ hours sailing
图 6 智能船舶航行航线全航程各时段各供能设备最优电输出功率
Fig. 6 The optimal electricity output of each energy supply equipment of intelligent ship in different periods of the whole voyage
图 7 智能船舶航行航线全航程各时段各供能设备最优热输出功率
Fig. 7 The optimal heat output of each energy supply equipment of intelligent ship in different periods of the whole voyage
表 1 智能船舶全航程各时段电−热负荷预测结果
Table 1 The forecast results of electric and thermal load of intelligent ship in different periods of the whole voyage
全航程各时段热
负荷预测量 (MW)1小时 2小时 3小时 4小时 5小时 6小时 7小时 8小时 9小时 10小时 11小时 12小时 19.0000 28.9889 33.0000 34.0000 32.0000 27.0000 20.0000 16.0000 18.0000 27.9780 33.0000 34.0000 13小时 14小时 15小时 16小时 17小时 18小时 19小时 20小时 21小时 22小时 23小时 24小时 36.0000 29.0000 20.0000 16.0000 19.0000 29.9671 30.0000 35.0000 31.0000 28.0000 19.4957 18.0000 全航程各时段电
负荷预测量 (MW)1小时 2小时 3小时 4小时 5小时 6小时 7小时 8小时 9小时 10小时 11小时 12小时 29.3600 55.3255 61.6100 62.4300 60.8300 48.8500 33.7300 25.2500 32.1600 57.3885 61.0800 59.7900 13小时 14小时 15小时 16小时 17小时 18小时 19小时 20小时 21小时 22小时 23小时 24小时 65.1800 55.4800 35.2500 26.6000 32.7000 54.3629 54.5900 64.2400 56.6100 54.9300 32.9039 28.2700 
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