包耦合振子网协作式时间同步机理研究及在工业无线网络的应用

Oscillatory dynamics are prevalent and can be modelled as networks of coupled oscillators. In order to answer the open question of how reliable and precise timing can be achieved in industrial wireless sensor actuator networks (iWSAN), this project proposes a new concept of Packet-Coupled Oscillators (PkCOs) to model the dynamics of such networked oscillators. This project is designed to create new knowledge of the dynamics of PkCO and provide mathematical analysis tool and analytic solutions to enable precise synchronization of PkCO for future iWSANs. The new idea is the development of a novel observer-based cooperative phase coupling and observation algorithm. The objectives are:(1) Development of a generalised augmented model of PkCO, where oscillators’ phases are discretely, asynchronously and asymmetrically packet-coupled and subject to measurement noises, random and asymmetric delays and asynchronous and unreliable packet exchange. (2)Development of a novel dynamic observer-based PkCO time synchronization algorithm and prototyping in process industries.

周期性振荡现象在自然界普遍存在，复杂网络几乎随处可见。本课题结合工业物联网这一的国家和行业重大需求，以实现基于包交换的无线工控网络的高精度高可靠时间同步为目标, 将网络振子（Networked Oscillators）同步行为的理论研究与基于包交换的通信网络的工程实践相结合，创造性的提出了包耦合振子网(Packet-Coupled Oscillator Networks， PkCO) 这一新兴的面向包交换网络的系统同步模型, 构建PkCO的同步动力学模型, 研究工控无线网络在外界环境扰动和网络变化下的同步稳定问题，探索相关工程界和自然界同步问题的普遍规律, 以期在相关领域取得国际先进的理论和实践研究成果。研究内容有（1）在非对称，离散，异步，高噪声和不可靠无线通信条件下PkCO的同步行为机理建模和同步性能分析；（2）基于非线性动态观测器的协作式PkCO时间同步算法及在流程制造工业的试用。

高精度时间同步是多机协同、状态监测、智能交通、(室内地下水下)精准定位等时间敏感任务关键型工业应用是工业物联网（IIoT）的核心使能技术，是与传统物联网的最显著差异。尤其是在基于包交换无线通信网络的IIoT 中，如何克服通信网络延迟的不确定性抖动，晶振时钟的漂移、恶劣工业环境等影响，提高网络中各分布式节点之间的时间一致性，是一个亟待解决的前沿热点问题。本课题结合工业物联网这一的国家和行业重大需求，以实现在振动、温漂、晶振老化等外界环境扰动和网络变化下，基于包交换的无线工控网络高精度时间同步为目标, 从自然界普遍存在的周期性震荡现象出发，突破传统物联网时间同步中以通信协议为研究主体的框架，提出了包耦合振子网(Packet-Coupled Oscillator Networks，PkCO) 的晶振时钟同步系统，主要开展了以下几方面的研究并取得了相应的成果：.（1）以32.768 kHz 晶振，内置式8MHz RC振荡器,和 32.678MHz晶振三种IIoT中广泛采用的时钟源为对象，构建了在非对称，离散，异步，高噪声和不可靠无线通信条件下振子时钟动态特性和PkCO同步行为的网络化动态模型；.（2）在PkCO时间同步的动态性能调控方面，研究了基于动态观测器的协作式PkCO时间同步算法，对难以直接获得的时间偏移值和频率偏移率的状态进行估计，实现了对通信延迟抖动等观测噪声的抑制作用；采用了比例控制和自适应增益的方法，有效改善同步系统的动态性能。.（3）在PkCO时间同步的稳态性能调控方面，提出了一种稳态最小方差时间同步算法，设计了基于线性搜索迭代的最优输出反馈控制增益确定方法，获得了同步精度方差性更小的的平均一致性控制器增益。.（4）在PkCO抗扰性方面，提出了基于动态观测器的抗扰时间同步，解决了由于振动等周期性扰动带来的不利影响，确保了扰动条件下的时间同步精度。.（5）搭建了软件仿真系统和基于SAM R21 嵌入式处理器的硬件实验验证平台,　硬件测试表明可达并维持亚微秒级同步精度。.这些研究形成了一系列IEEE Trans. on Industrial Informatics, IEEE Internet of Things Journal等行业顶级期刊的代表性论文。下一步除加深理论研究进一步提高同步系统的抗扰性能外，拟依托与齐重数控等工业制造企业的项目合作，开展应用示范研