多模型建模与控制的理论和方法

　　控制工程领域广泛存在着这样一类复杂非线性系统，由于非线性因素的作用，系统运行模态过于复杂，或者工作环境非常恶劣，造成系统结构和参数随着工况的改变而呈现出很强的不确定性。此时，采用传统的全局建模方法建立单一的高精度数学模型就显得比较困难。因为多数建模方法的使用效果与使用者的经验有很大关系，要想确定合适的模型结构，获得高精度的参数估计，通常需要花费大量的时间和精力来选择建模算法，调整建模参数。有时候，即使得到了系统的模型，也往往由于模型本身过于复杂而难以进行稳定性分析和控制器设计。为了解决该问题，控制界的专家和学者们进行了大量的理论和技术探索，最终发现基于“分而治之”思想的多模型方法是解决问题的一种有效途径。多模型方法自20世纪70年代出现以来，已经走过了40余年的发展历程，无论是在理论、技术还是在应用方面都取得了广泛的成功。该方法以“分解一合成”原理作为解决问题的自然之道，将复杂系统的建模与控制问题按照某种确定性准则进行分解，然后分别建立局部模型和控制器，由于局部模型常常是线性的，因此可利用成熟的线性系统理论进行控制器的设计。在问题分解并获得解答后，即可按照相应的合成准则或调度机制协调各局部模型或控制器，在保证稳定性的同时，实现对原复杂非线性系统的控制。这种建模与控制方法能够将复杂的非线性问题转化为可用成熟且相对简单的理论来解决的问题，这对简化控制器设计、提高系统在复杂环境下的控制性能具有重大意义。当前，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滤波方法等，但无论哪类方法，需要解决的关键问题无外乎两点：一是在特定的分解准则下选择恰当的模型集；二是选择恰当的合成准则确保模型调度的稳定性。《多模型建模与控制的理论和方法》内容是雷虎民教授及其研究团队长期研究成果的结晶。作者近十年来一直从事非线性系统多模型建模与控制理论和方法的研究工作，在国家自然科学基金“基于局部多模型的高超声速飞行器在线轨迹生成研究（61503408）”、航空科学基金“基于数据的飞控系统多模型建模与控制方法研究（20100196002）”以及“空空导弹控制系统非线性设计研究（2006ZC12004）”的资助下对飞行器的多模型建模与控制问题做了深入的研究和探索，取得了一批成果，《多模型建模与控制的理论和方法》内容大部分就来源于此。《多模型建模与控制的理论和方法》的另外一部分内容则来源于作者的硕博士研究生所撰写的学位论文和研究团队所发表的学术文章。《多模型建模与控制的理论和方法》共10章，主体内容由3个板块构成：第1板块包括第2_4章，主要论述非线性系统的多模型建模理论与方法，介绍了基于分段仿射方法的多模型离线建模、基于局部模型方法的多模型在线建模、基于即时学习方法的多模型在线建模等内容；第二板块包括第5-8章，主要论述非线性系统的多模型控制理论与方法，介绍了非线性系统的多模型自适应控制、基于在线建模的多模型预测控制、基于在线建模的预测PID（Proportion Integration Differentiation）控制、基于在线建模的滑模预测控制等内容；第三板块包括第9章和第10章，主要论述非线性系统多模型建模与控制的理论和方法在飞行器控制系统设计中的应用，介绍了基于多模型的飞机容错控制方法、基于多模型的导弹飞行控制方法等内容。

　　雷虎民，陕西合阳人，空军工程大学防空反导学院教授，控制科学与工程学科博士生导师，主要研究方向为空天防御拦截器制导、控制与仿真。从1979年9月开始先后在西北工业大学航天学院导航、制导与控制专业获工学学士、硕士和博士学位，西安交通大学控制科学与工程学科流动站博士后。现为中国航空学会航空武器专业委员会委员，中国自动化学会系统仿真专业委员会委员，西安惯性技术学会理事，《空军工程大学学报（自然科学版）》《导航、定位与授时》《飞行力学》和《航空兵器》编委。获军内外科技进步奖12项，授权国防发明专利2项，发表论文150余篇，SCI/EI检索论文70余篇，出版著作3部，指导硕博士生60多名，获陕西省三秦人才奖和军队院校育才奖金奖。邵雷，湖北天门人，2009年毕业于空军工程大学导航、制导与控制专业获工学博士学位。现任空军工程大学防空反导学院副教授，主要研究方向为防空反导武器系统总体和飞行器制导与控制技术。主持和参与科研项目10余项，获军队科技进步奖5项；发表学术论文40余篇，被国际检索收录17篇，出版教材5部。杨遵，河南镇平人，2007年毕业于空军工程大学导航、制导与控制专业获工学博士学位，现任空军空降兵学院讲师，主要研究方向为系统建模与仿真实验。获军队科技进步奖3项，授权国防发明专利5项，发表学术论文30余篇，出版教材3部。