网络化系统的多率采样控制与变采样动态调度的研究

In view of the synchronized uniform equidistant sampling method that widely used in network control system (NCS), multi-rate sampling control for NCS is presented by considering the natural characteristics of NCS, which can promote the theory of NCS and provide the theory grounds for the construction of NCS with more function and realistic. The design of multi-rate controller is implemented by comprehensive consideration of the network resource constraints and the inherent digital features of communication network. The controller is essentially a periodic time-varying controller and expected to achieve some control objectives which can not be realized by conventional single-rate linear time-invariant controller and suitable for NCS further. For networked multi-rate control system, co-design method based on variable sampling period is proposed in view of the bottleneck problem of limited bandwidth and the fast-slow and slow-fast characteristics of multi-rate sampling. Taking the real-time bandwidth requirement and the response ability of each network node into account, the whole system performance can be guaranteed and the optimal allocation of limited bandwidth can be realized by adjusting the sampling period of each subsystem dynamically.

针对目前研究中普遍采用的同步均匀等周期采样方式，考虑网络化系统的本质特征，提出网络化系统的多率采样控制，以完善网络控制系统理论体系，为构造出功能更强、更切合实际的网络控制系统提供理论依据；综合考虑网络资源限制以及通讯网络本身固有的数字特征，进行多率采样控制器的设计，该控制器实质上是一个周期时变控制器，有望实现许多常规单采样率线性时不变控制器所无法实现的、更加符合网络化系统的控制目标；对于网络化多率采样系统，针对有限带宽这一瓶颈问题，结合多率采样的快-慢与慢-快特性，提出基于变采样周期的协同设计方法，考虑每一网络节点的实时带宽需求和响应能力，动态调整各子系统的采样周期，以保证系统的整体性能和实现有限带宽的最优配置。

针对目前网络化系统研究中普遍采用的同步均匀等周期采样方式，考虑网络化系统的本质特征，提出网络化系统的多率采样控制与变采样动态调度。.项目的主要研究内容包括：.(1)通过采用提升技术和定义扩展向量建立了三类网络化多率采样系统的线性离散时不变模型，基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法，研究了三类系统的稳定性，给出了系统稳定的充分条件；.(2)通过对连续线性二次性能指标函数进行离散化，分别推导了单采样率和多采样率网络化系统的线性二次型性能指标函数，给出了权矩阵选取的大致原则；.(3)在假设系统时延为最大允许时延的情况下，通过求解性能优化函数极小值得到采样周期的优化解，给出了求取采样周期的具体方法；.(4)对于网络化多率采样系统，针对有限带宽这一瓶颈问题，结合多率采样的快-慢与慢-快特性，提出基于变采样周期的协同设计方法，考虑每一网络节点的实时带宽需求和响应能力，动态调整各子系统的采样周期，以保证系统的整体性能和实现有限带宽的最优配置;.(5)针对存在介质访问约束的网络化多率控制系统，提出了基于切换系统的建模、分析和设计方法。根据通信介质的接入特性将系统建模为等价的切换系统，分别在零输入控制和保持控制的条件下研究了动态通信调度下的最优控制器设计问题;.(6)针对具有介质访问约束和参数不确定性的网络化多率采样控制系统，提出一种最优输出反馈控制器及动态调度的联合设计方法。随后，同时考虑介质访问约束和信号量化误差的影响，解决了量化反馈控制器和动态通信序列的设计问题。