数据率动态分配下的新型IP网络调度与控制协同设计研究

Network-induced delay and packet loss is the main problem of networked control systems(NCSs).To solve these problems from guaranteeing the QoS and QoP of NCSs points,existing scheduling and control schemes split the close connection between each other, have difficulty in solving these problems fundamentally and ensuring the the overall performance of NCSs optimal.In view of this situation,aiming to bettering network environment, limiting delay boundary, reducing loss tolerance and improving network utilization , a new method that scheduling and control co-design based on data rate dynamic allocation for IP networked control system has been proposed in this project.Meanwhile, owing to the excellent performance of the bandwidth and broad application prospects of Ethernet/IP ,it presents a new structure of NCSs that a flow controller is introduced in the bottleneck of NCSs closed-loop,shows the description of the generalized model for NCSs in structure above,analyzes the stability of NCSs,extracts the associated characteristic parameters related scheduling and control strategies,abstract new NCSs performance combined with scheduling performance and control performance,proposes a co-design method based on the correlated characteristic parameters and refining performance above,and finally establishes theory and algorithm of scheduling and control co-design for IP network.

网络诱导时延和数据包丢失是网络控制系统（NCSs）的主要问题，现有的从保证NCS的QoS 和QoP 角度出发来解决这些问题的调度和控制策略割裂了彼此间的紧密联系，无法从根本上解决这些问题并保证NCSs 总体性能的最优。基于IP协议以太网（Ethernet）出色的带宽性能和广阔的应用前景。针对这种情况，从致力于改善网络环境，限制时延范围、降低丢包率和提高网络利用率的角度出发，本项目提出了一种新的基于数据率动态分配的IP 网络控制系统的调度和控制协同设计方法。提出了一种在NCSs 闭环回路的瓶颈处引入流量控制器的新NCSs 结构，给出这种结构的NCSs 的一般化模型描述，分析了系统的稳定性，提取联系调度策略和控制策略的关联特征参数，提炼结合调度性能和控制性能的新型NCSs 性能指标，基于提取的关联特征参数和提炼的性能指标提出协同设计方法，建立起适用于IP 网络的调度与控制的协同设计理论与算法。

对于网络控制系统中网络诱导时延和数据包丢失的问题，现有技术从NCS的QoS和QoP角度解决这些问题，但存在局限性，无法保证NCS总体性能的最优。本项目考虑到基于数据率动态分配的调度策略与控制策略之间关联关系的复杂性，同时考虑到数据率动态分配策略对网络性能的影响必须基于仿真实验研究才能得到有效的关系和模型。对于随机的网络诱导延时引起的含短随机时延和异步丢包的网络控制系统的镇定问题，采用不确定系统参数矩阵以克服双通道上随机时延对NCS分析的影响，将NCS建模为具有四个事件率约束的异步动态系统。通过仿真研究调度策略对网络性能(时延范围、丢包率和网络利用率)的影响，利用被控对象采样周期与网络性能的定性关系来建模。根据实验结果，得出新的基于数据率动态分配的IP 网络控制系统的调度和控制协同设计方法，并在新的NCS中引入流量控制器。基于以上内容确定了适用于IP 网络的调度与控制的协同设计理论与算法。同时为以后继续研究网络控制系统中存在的问题奠定一定基础。本项目资助发表论文9篇，其中待发表1篇。.