含有概率约束的网络化控制系统的区域控制及滤波

In networked control systems (NCSs), sensors, controllers and plant are connected through network, the causal relationships among “sensor-control-actuator-plant” become much complex. In particular, when there are probabilistic constraints in the physical variables of the NCSs, how to reveal the influence of the random network environments for the control performance, analyze and control the NCSs are hot but difficult points in NCSs research. Considering the probabilistic constraints in NCSs, this project introduces the concept of“region control/filter”, that is, design the controller or filter such that the probability of system output/error falling in a specific region is large enough. Furthermore, this project will also explore the inherent scientific mechanism among the probabilistic constraints, random network properties, control region, the stochastic controller and the sojourn probabilities. Finally, the purpose of this project is to establish a general model based on above issues and design proper controller/filter to guarantee the probabilistic purpose of the region control.

在网络化控制系统（Networked Control Systems, NCSs）中，传感、控制以及被控体之间通过网络进行互联,其“传感-控制-驱动-被控体”间的因果关系变得异常复杂。特别地，当NCSs中的变量存在概率约束时，如何揭示并应对随机网络环境在不同时空尺度上对NCSs控制性能的影响，解决其分析与控制问题，是一个亟待解决的科学问题，也是NCS研究的热点与难点问题。本项目针对含有概率约束的网络化控制系统，提出区域控制及区域滤波的科学性问题，即，本项目旨在设计控制器/滤波器，使系统的输出/误差在指定区域停留的概率足够大。由此可以带来更大的控制自由度以及满足更多控制性能指标。在此基础上，本项目将深入探讨概率约束、网络随机特性、控制区域、随机控制器以及停留概率之间的内在科学机理，建立充分反映他们耦合规律的网络化控制系统模型，设计合适的控制器/滤波器来满足区域控制/滤波的目的。

本项目针对概率约束下复杂网络系统的区域控制和区域滤波问题进行了研究，提出了概率约束条件和确定性约束条件之间的转化公式，建立了网络约束和概率约束下控制器和滤波器的设计方法，实现了更具有一般性的概率意义下复杂网络系统的区域控制和滤波。首先，针对一类随机非线性时变系统，当考虑网络丢包或事件触发等非理想网络状况时，利用多维切贝雪芙不等式，将概率约束条件转化为更容易处理的确定性约束条件，并研究了复杂网络系统的区域控制器或滤波器设计问题，所设计的控制器或滤波器，可以保证某个随机变量落入指定椭球区域或者多面体区域的概率大于设计值。其次，针对网络环境下的一类非线性系统，当考虑事件触发、网络攻击、以及测量野值等网络状况时，我们研究了概率约束指标下的跟踪控制器设计问题，所设计的跟踪控制器实现了跟踪误差落入指定区域的概率大于给定值的设计目标。再次，针对复杂网络控制系统带宽约束的问题，我们创新性提出了记忆事件触发策略，该方法通过存储最近几次的发送数据，通过加权平均的方法抑制一些测量值突变的情况，能够在测量值变化剧烈时多发送一些采样数据，可以使系统的状态响应图更加平缓，并且加快收敛速度。相应的方法在电力系统和模糊系统中都进行了应用。最后，我们将研究方法在无线充电系统和电池能量管理系统中进行应用，取得了较好的效果。