通讯受限的网络控制系统反馈调度与控制

The communication constraints are a real concern in the transmission process of networked control systems(NCSs) between the nodes, such as network-induced delay, packet loss, bandwidth limitation, quantization error and asynchronism. The focuses of existing research methods' attention are often on stabilization for NCSs with deterministic protocol. Current results reduce the negative impact of the stability for NCSs caused by the separate use of scheduling strategy or control strategy, and the detailed performance is not considered. However, compensating strategy affects system performance for some nodes without feedback. And compensation strategy is the foundation of modeling, analysis and design for NCSs. Therefore, this project proposes compensation strategies and evaluation index for the NCSs at first. Secondly, network sources distribution model of multi-variable NCSs is established, which is used to guide network sources distribution to abtain the optimal performance. Finally, coordinating the design of scheduling and controller for NCSs with communication constraints are considered. And the results of this project will be applied to the liquid level control of three-tank water based on Zigbee protocol and multiple robots platform for urgent rescue.

通讯受限是网络控制系统（NCSs）的常见现象，通常包括：节点在传输过程中形成的网络诱导时滞，数据丢包，信道带宽约束，量化误差以及不同步等。现有的研究方法往往只侧重于确定性协议下的NCSs稳定化控制，并分别从调度策略和控制策略这两个角度出发来降低通讯受限对网络控制系统产生的负面影响，且不涉及具体性能指标。然而，未反馈节点的补偿策略对系统性能产生的影响却没有考虑，补偿策略是网络控制系统建模、分析与设计的基础。在此背景下本项目提出适合于通讯受限NCSs 的反馈调度补偿策略及其评价指标，其次是建立多变量NCSs的网络资源分配模型，用于指导网络资源进行有效分配从而取得最优性能。项目综合考虑了网络传输时延、介质访问受限、数据丢包和量化误差等网络因素的NCS 建模协同控制设计问题。并将结果应用在基于Zigbee 的网络化三容水箱液位控制与多机器人应急救援平台上进行实验和设计。

网络控制系统（NCSs）存在的通讯受限通常包括：节点在传输过程中形成的网络诱导时滞，数据丢包，信道带宽约束，量化误差以及不同步等。现有的研究方法往往只侧重于确定性协议下的NCSs 稳定化控制不涉及具体性能指标。未反馈节点的补偿策略对系统性能产生的影响却没有考虑，补偿策略是网络控制系统建模、分析与设计的基础。在此背景下本项目提出适合于通讯受限NCSs的反馈调度补偿策略及其评价指标.项目首先研究了一类具有任意丢包的网络控制系统关于丢包补偿的稳定性分析与控制问题，考虑置零输入和保持输入两种丢包补偿方法，采用Kalman滤波估计设计控制器，研究其控制性能，并且在丢包率稳定区域上比较两种丢包补偿方法孰优孰劣。针对同时包含丢包和时延的网络控制系统进行滤波估计研究，基于射影理论设计Kalman滤波器,获得了丢包补偿稳定性区域以及最优滤波器。其次，项目考虑了网络化多智能体系统的一致性分析，将多跳式技术向高阶线性多智能体系统推广，为系统设计全维状态观测器。结合多跳式技术与全维状态观测器，提出了基于高阶线性多智能体系统的优化一致性协议，数值仿真说明协议的有效性。最后，针对NCS双通信信道中均有时延、丢包和错序以及受控系统存在外部扰动的的情况，对NCS的H∞控制问题进行了深入分析。将丢包视为一种特殊的时延，遵循Markov跳变规律变化。基于分析结果设计出一个H∞输出反馈控制器。项目还研究了只有控制器到执行器信道存在量化误差、时延、丢包和错序情形下的NCS量化反馈控制。所采用的对数量化器的量化密度被进行了特殊处理，其目的是保持系统的总误差在一个较低的水平。然后基于扇形界方法和Markov跳变系统理论，对闭环系统的渐近稳定性进行分析，并基于分析结果设计出一个量化输出反馈控制器实现了系统的渐近稳定和维持系统总误差在一个较低水平的目标。