通信参量对网络控制系统性能的制约问题研究

网络控制系统的性能与信道通信能力之间存在着根本性的复杂制约机制，给网络控制系统的深入分析带来极大挑战。此方面研究目前在国外刚刚起步。本项目针对这一新兴课题，融合鲁棒与随机控制、信息论与编码论、信号处理等相关理论，研究通信信道的数据传输率、信噪比、信息熵等参量与网络控制系统性能(鲁棒性能、跟踪性能、扰动抑制性能等)之间存在的内在约束机制；研究在通信参量实时变化情况下滤波、量化及编码的新方法以保证或改善控制系统性能；提出包含通信参量的网络控制系统性能分析和优化方法,为网络控制系统研究提供新视角和新途径。

为揭示网络控制系统中网络参量和通信参量对系统性能之间的内在联系, 本项目研究了网络时延的特征及其建模、信道信噪比对控制系统性能的影响、系统的随机镇定与脉冲控制、包含通信参量和网络参量的仿真平台开发、面向工业现场控制的协议转换构架等方面问题，主要成果：1) 使用矩阵不等式方法得到了连续时变网络控制系统镇定所要求的最小信噪比，说明了系统稳定性同被控对象不稳定极点、网络时滞和信噪比之间的联系，然后将问题推广到一类更为复杂的离散时间异构网络控制系统并得到了类似结论，其中建立的多传感器随机时滞模型很好地刻画了token-passing总线控制网络；2) 将网络控制系统建模为Markov 切换系统，分别针对Markov链初始分布为平稳分布和初始状态未知两种情形, 研究了切换频度同系统稳定性之间联系，利用Markov 转移概率给出子系统间切换频度范围，进而基于平均驻留时间方法思想给出了闭环系统均方指数稳定的充分条件, 进一步，基于独立随机变量联合分布的性质,给出了估算马尔可夫跳变系统平均驻留时间期望的方法; 3) 基于Visual C++软件，构建网络延时测试平台，采用了无偏灰色预测模型结合波形调整方法对网络时延进行了预测，进一步针对Internet时延具有自相似和长程相关特点，结合依概率覆盖思想，提出了一种概率上限分数自回归滑动求和平均模型的预报方法，保证实际时延按一定概率在预测时延范围之内，更为准确地实现了对Internet时延的预测；4) 研究了多变量、多通道控制系统，构建了网络脉冲控制系统模型，给出了采用脉冲控制策略下一类随机有界时滞网络控制系统的指数稳定性条件，使得控制系统在低网络带宽情况下依然能够保证基本性能；5）利用MATLAB/引擎技术和Simulink的命令行仿真技术将MATLAB//Simulink和网络仿真软件OPNET Modeler相结合，开发了联合仿真平台，设计了MATLAB/ OPNET之间的仿真时钟同步机制，能够以较真实模拟各种不同的网络和通信环境；6）针对工业现场控制任务对无线通信网络的要求，提出了一种异构子网段间的协议转换器架构模型，实验显示该架构及协议转换器能够满足工业控制的实时性能需求。本项目研究成果为进一步研究网络环境下的通信、网络和控制联合设计问题提供了有益理论探索及实验支撑。