资源受限网络环境下重置控制与事件触发机制协同设计研究

Reset control can overcome performance limitations of linear feedback systems by resetting controller states, and also has some advantages such as easy implementation and high performance. However, the problems of limited resources under network environment and lack of multivariable reset triggering conditions bring some challenging issues for the application of reset control in networked systems. This project focuses on analysis and co-design problems of networked reset control systems with limited resources. Firstly, the coupling relations of reset controller states and its inputs/outputs are investigated and multivariable reset triggering conditions are proposed, and the networked reset control system modeling approach is given by integrating into the effects of communication delays, bandwidth allocation protocol and event triggering mechanism. Then, we focus on stability analysis problem by considering the parameter uncertainty induced by communication delays. The stability criterion depending on reset triggering conditions is proposed, and the effects of event triggering mechanism and state reset to the system stability are illustrated. Furthermore, we extract related characteristic parameter between state reset and event triggering mechanism, and the quantitative relation of the characteristic parameter and system performance index is established, then, the co-design method of reset control and event triggering mechanism is proposed. Finally, the networked robot experimental platform is established to verify the obtained results. The implementation of this project will provide theory and technique for the application of reset control in networked systems.

重置控制通过控制器状态的重置能够突破线性反馈控制性能局限，并具有控制实施简单、高性能等优点。然而，网络环境下资源受限和缺乏多变量重置触发条件等问题给重置控制在网络化系统中的应用提出了新的挑战。本项目针对资源受限网络化重置控制系统的分析和协同设计问题展开研究。首先分析多变量重置控制器状态与输入输出之间的耦合关系并建立多变量重置触发条件，融入通信时延、带宽分配协议和事件触发机制的影响，提出网络化重置控制系统建模方法。其次考虑通信时延带来的参数不确定性研究稳定性分析问题，建立依赖于重置触发条件的稳定性判据，揭示事件触发与状态重置对系统稳定性能的影响。进一步提取联系状态重置和事件触发机制的关联特征参数，并建立特征参数和系统性能指标间定量关系，提出重置控制与事件触发机制协同设计方法。最后，搭建网络化机器人实验平台验证理论成果。本项目的实施将为重置控制在网络化系统中的应用提供理论支撑与技术支持。

重置控制通过控制器状态的重置能够突破线性反馈控制性能局限，并具有控制实施简单、高性能等优点。然而，网络环境下资源受限和缺乏多变量重置触发条件等问题给重置控制在网络化系统中的应用提出了新的挑战。本项目针对资源受限网络化重置控制系统的分析和协同设计问题展开研究。在本项目的支持下，主要进行了如下几个方面的研究：一、针对现有重置控制设计方法无法保证相对于线性反馈控制的优势问题，提出双输入重置控制设计，利用误差导数实现突破线性反馈超调性能局限，理论上证明了重置控制的优势；二、针对现有重置控制难以应用于网络化控制系统的局限性，提出多变量网络化重置控制系统建模与分析方法，将状态空间根据控制器输入输出进行分解，进而构建网络化不确定切换系统模型并给出基于线性矩阵不等式的稳定性分析结果；三、针对现有事件触发机制在复杂网络环境下难以保证排除Zeno现象的不足，提出预定触发间隔下界的混杂事件触发机制，克服了现有方法中触发间隔下界依赖于智能体数量和环境变量参数的不足，能够本质上保证排除Zeno现象，并且在系统含有外部扰动时能够保证触发间隔下界的鲁棒性。同时，考虑了网络通信时延的影响，根据误差参数的跟新时间将系统事件分为触发事件和更新时间，建立了混杂系统模型对闭环系统进行稳定性分析和事件触发机制设计；四、针对工程应用中系统状态往往并不可测或者测量成本高的问题，目前数字式传感器应用于测量系统输出，基于此考虑了在采样输出的条件下设计连续-离散时间观测器观测系统状态，运用混杂系统理论，将观测器和被控对象统一考虑，建立了整体闭环系统的混杂系统模型，并使用Lyapunov稳定性理论分析了系统的稳定性。基于本项目的研究成果，发表录用SCI论文9篇，EI论文5篇。其中Automatica一篇，IEEE汇刊论文5篇，单篇最高影响因子10.387。一篇CCDC论文获张嗣灜院士优秀青年论文提名奖。所研究成果得到同行专家的肯定，并且为重置控制系统在实际中的应用提供理论支撑与技术支持。