基于自适应事件触发机制的无线网络控制系统的控制与状态估计研究

Due to the limited bandwidth, limited node energy and high network collision probability in wireless networked control system, the research on how to design a suitable triggering mechanism and controller to reduce the bandwidth consumption and node energy consumption while maintaining system stability has attracted considerable attention in the research community. Yet there are many unsolved problems in the design of triggering mechanism and the synthesis of the controller up till now. Based on the adaptive event-triggering mechanism, this project will investigate the analysis and synthesis of WiNCSs. The proposed adaptive event-triggering mechanism combines the benefits that, on the one hand, periodic triggering mechanism and, on the other hand, event-triggering mechanism off, it has the self-adjusting parameter function and overcomes the inherent flaws of the traditional event-triggering mechanism, and it can effectively reduce the number of data transmission of the nodes and then reduce network collision and node energy consumption. Considering the effects of adaptive event-triggering mechanism and non-ideal network conditions, a unified framework for the modeling, the stability analysis and the joint design of the triggering parameters and the controller for WiNCSs is established. Finally, the proposed method is further applied to study the problems of the control and the state estimation of high-order linear stochastic systems and nonlinear systems.

针对无线网络控制系统(WiNCSs)的网络带宽有限、节点能量有限和网络冲突概率高的特点，在保证系统稳定的前提下，关于如何设计合理的触发机制并设计控制器，以减少网络带宽的使用，降低节点能耗的研究引起了极大的关注。然而，截止目前，无论是触发机制的设计还是控制器综合，都存在大量问题亟待解决。本项目研究基于自适应事件触发机制的无线网络控制系统的分析与综合，所设计的自适应事件触发机制结合了周期触发机制和事件触发机制的优点，具有自适应功能，克服了传统事件触发机制存在的固有缺陷，能有效减少节点的数据发送量，从而减少网络冲突和节点能耗。在综合考虑自适应事件触发机制和非理想网络状况影响的情况下，建立研究无线网络控制系统的建模、稳定性分析及触发参数和控制器一体化设计问题的统一框架。最后，应用上述方法来进一步研究一类高阶线性随机系统和非线性系统的控制与状态估计问题。

本项目主要研究了基于自适应事件触发机制的多变量网络化系统的控制与状态估计方法。建立了基于离散数据比较的自适应事件触发通信机制，以降低网络通信压力及控制器计算量。所谓自适应是指触发机制中的触发参数是一个动态变化量，满足一定的自适应律。在此基础上，针对网络化离散非线性和线性控制系统，提出了基于自适应触发机制的控制设计方法，并提出了基于Lyapunov方法的闭环系统分析与设计方法；针对网络化非线性多智能体系统，建立了基于离散数据比较的分布式事件触发通信机制，提出了基于时滞系统方法、等周期采样控制方法以及混杂系统方法的闭环系统一致性分析与控制参数设计方法。对于非理想网络环境如网络延时，数据包丢失，随机噪声对事件触发控制系统影响的研究，提出了基于模型的事件触发预测控制和H无穷控制策略，在保证系统稳定的前提下，不仅能够减少网络带宽资源的利用，而且能够有效地补偿网络延时、数据包丢失及随机噪声等对系统性能造成的不利影响。基于以上工作，将在事件触发机制下的网络化控制方面形成较系统的理论方法，为电力系统、交通系统、机器人系统等网络化系统领域提供理论指导。