时间/事件混合驱动环境下的分布式预测控制设计与性能分析

Mixed wired/wireless communication is the trend of future large scale and distributed systems. In this communication environment, the resources-limited nature of wireless poses new issues in the control design. Time-triggred and event-triggered schemes should be simultaneously considered to design distributed controller. This project is mainly targeted to investigate mixed time/event triggered distributed predictive control. The contents include: （1） Unilateral and bilateral trigger modes are introduced and event-triggered mechanism of mixed triggered distributed predictive control is studied based on Input-to-State stability theory；（2）Mixed triggered distributed predictive control strategies for two kinds of systems (event trigger communication in sensor-to-controller channel and in controller-controller channel) are investigated respectively, including coordination methods, distributed optimization techniques and predictive control algorighms design；（3）The performance analysis methods for mixed triggered closed-loop systems are established. Based on analysis results, mixed triggered distributed predictive contorllers are redesigned to improve control performance. This project will achieve a theoretical breakthrough in asynchronous coordination and optimization, and provide efficient design tools for distributed control systems through a wired/wireless communication network, which has significant theoretical and practical application value.

采用有线/无线混合方式进行通信，是未来分布式大系统的发展趋势。在这种通信环境下，由于无线资源受限，系统的通信模式发生根本性变化，需要同时考虑时间、事件两种驱动模式下的分布式控制设计。本项目围绕时间/事件混合驱动环境下的分布式预测控制展开研究，包括：（1）引入单、双边触发方式，基于输入状态稳定性理论，研究混合驱动分布式预测控制的事件触发机制；（2）针对两类混合驱动系统（包括传感器-控制器存在事件驱动以及子系统控制器之间存在事件驱动），在分布式优化框架下，结合事件触发机制，分别研究分布式预测控制的协调策略和算法设计；（3）建立混合驱动分布式预测控制系统的性能分析方法，并利用分析结果对所提出的算法进行再设计。本研究将在理论上突破分布式预测控制异步协调与优化这一难题，同时，为实际混合通信环境下的分布式控制系统提供有效的设计工具，具有重要的理论和应用价值。

本项目围绕有线/无线混合通信环境给分布式系统设计与分析带来的挑战问题开展了深入的研究。针对分布式系统结构特点，提出了仅与子系统自身信息相关、与子系统和其关联子系统同时相关的静态事件触发条件以及动态触发条件设计方法，并建立了分布式系统自触发机制。针对反馈通道存在事件触发的分布式系统，从保证系统全局性能的角度出发，提出了基于合作机制的事件触发分布式预测控制方法；为了进一步节省通讯和计算资源，提出了事件触发双模分布式预测控制方法；同时，考虑到信息在网络传输中的不可靠问题，研究了事件触发机制下的网络化预测控制方法，在降低资源消耗的同时补偿传输时滞，数据丢包和量化等问题给分布式系统性能带来的负面影响。针对子控制器之间信息交互存在事件触发的情况，建立了异步信息交互下的全事件分布式预测控制协调方法；在此基础上，提出了时间/事件混合触发分布式预测控制算法，实现了通信需求与控制性能的折中；根据信息交互范围不同，分别提出了基于邻域优化和非合作机制下的事件触发分布式预测控制策略。在事件触发机制下，建立了触发条件、触发方式与分布式系统闭环性能之间的关系，给出了保证预测控制递推可行性和闭环稳定性/鲁棒性的充分条件。本项目的研究在理论上实现了分布式预测控制的异步协调与优化，为实际混合通信环境下分布式控制系统的设计与分析提供了理论基础和技术支持。