基于主动预测的通信与计算受限系统的调度和控制研究

The resource scheduling and feedback control problems are investigated in this project for systems under both communication and computation constraints. The considered theoretical model is derived from such systems as networked control systems, cyber-physical systems and Internet of things, which are new forms of control systems in the new era of the information technology. In such systems, the introduced communication and computation constraints pose great challenges for conventional control theory. In this project, the systems design and analysis will follow an integrative perspective, by means of an active prediction based resource scheduling and feedback control strategy. The fundamental idea of this strategy is to take advantage of the characteristics of the communication networks and the embedded computation technology to actively compensate for their incurred constraints to the control system in a feedforward fashion. Methodologies such as real-time scheduling theory, model predictive control and optimal control, etc. will be adopted in order to build a whole control framework for the active prediction based resource scheduling and feedback control scheme of systems under communication and computation constraints. This study will build a solid theoretical foundation for the implementation of networked control systems, cyber-physical systems, internet of things, etc. and will benefit greatly for the industrialization and informalization of the whole nation.

本项目研究通信和计算受限系统的资源调度和反馈控制问题。这一受限系统理论模型的实际背景是网络控制系统、信息物理融合系统和物联网等新型的控制系统形态。在这些新型的控制系统形态中，通信和计算资源的限制对传统控制理论提出了全新的挑战。拟采用一种基于主动预测的资源调度和反馈控制策略，从统一整合的角度进行此类系统的设计和分析。其基本思想是利用通信网络和嵌入式计算技术自身的特性来对它们引入的限制进行前馈式的主动补偿。将采用实时系统调度理论、模型预测控制和最优控制理论等方法，从统一整合通信、计算和控制的角度，建立一套适应于通信和计算受限系统的主动预测式的资源调度和反馈控制理论框架。这一研究将为网络控制系统、物联网和信息物理融合系统等在国民经济中的应用提供坚实的理论基础，对提高我国的工业化和信息化水平有着直接的和现实的意义。

随着传感器网络、物联网和其他各种智能系统的发展，作为其理论模型基础的通信和计算受限的控制系统的研究受到越来越多的关注。本项目使用一种基于主动预测补偿的方案，研究该类系统的建模、设计、 理论分析和实验验证等问题，旨在建立一套以主动预测为基础的针对通信和计算受限系统的调度和控制理论框架。规划研究内容包括：通信和计算受限系统的数学建模、通信和计算受限系统的理论分析与设计和系统的实验验证等。在本项目的实施中，所取得研究进展和成果按照研究层次的递进次序，可分为相关基础理论研究、针对该类系统的设计和分析和实际系统验证和应用等三个互相关联又相对独立的部分。在相关基础理论研究方面，研究了若干与所研究系统密切相关的系统模型的稳定性和鲁棒性等性能，包括如一类带有异步切换控制器的混杂随机阻滞系统的稳定性、具有正弦锭速变化的单自由度切割系统的稳定性、一类切换随机非线性阻滞系统的异步切换模型的稳定性等。在设计和分析方面，主要以通信、控制和计算的联合设计为指导思想，研究了一类通信网络与其他应用共享的网络化控制系统的设计和分析及以Hammerstein系统描述的控制对象为基础的网络化控制系统。进一步的，结合在理论和设计等方面的研究进展，研究了一系列汽车尾气监测方面的问题，这包括排放监测、路径规划和传感器配置等方面的问题。通过对理论基础和设计分析的研究，建立了所研究的通信和计算受限系统的理论和设计基础，并进而通过汽车尾气检测这一应用背景，建立了从理论到设计到应用的整体框架。这一研究因此不仅对相关的控制理论发展有所贡献，也为汽车尾气监测等相关应用提供了理论和技术支持，具有一定的经济和社会价值。依托项目支持，在项目执行期间共发表学术论文15篇，其中SCI索引论文5篇，EI期刊论文2篇，会议论文8篇。并且，项目负责人在ESI源期刊Mathematical Problems in Engineering上组织了相关领域的专刊，并发表了相关综述文章。