基于资源调度和预测控制的无线网络化控制系统的联合设计

Wireless networked control systems are those control systems whose control loop is closed via wireless communication networks. The contradiction between the non-real-time, unreliable data transmission of wireless communications and the real-time, reliable requirements of control systems is one key challenge. The common issue in the-state-of-the-art research is the lack of the integration of control and communication, leading to fundamental conservativeness. Built on the applicant’s more than 10 years’ experiences on traditional networked control systems, this project aims at a feasible co-design solution to the challenge. This solution consists the integration of the following two theoretical studies and the corresponding control/communication co-simulation and the experiments based on a mobile robot platform: 1) the design of scheduling based medium access control protocols for wireless communication networks, where the control system performance requirements is the constraint; 2) the design of the networked predictive controller, where the availability of the wireless channels is the constraint. Wireless networked control systems is one key technology for industrial robots and other intelligent automation applications, and therefore the success of this project will contribute to the national strategy of “Made in China 2025”, and consequently the industrialization and informatization of China.

无线网络化控制系统是系统量测输出和控制输入等数据经由无线通信网络传输的一类控制系统。无线通信的非实时、不可靠的现实和控制系统实时、可靠的要求之间的矛盾是该类系统面临的一个根本性挑战。现有的研究中存在的共同问题是控制和通信二者的融合程度不够，导致了根本的保守性。依托申请者在传统网络化控制系统领域10多年的研究经验，本项目旨在对此问题提供一种可行的联合设计解决方案。该方案由如下两个方面理论研究的有机融合和相关的联合通信/控制仿真和移动机器人平台实验验证构成：1）基于资源调度的无线通信介质接入控制算法设计，这一通信设计以控制系统性能要求为其约束条件；2）基于网络化预测机制的控制器设计，这一控制设计以通信资源可用性为其约束条件。无线网络化控制系统作为工业机器人和其他各类智能自动化应用的一项关键技术，本项目的成功将助力于“中国制造2025”的国家战略，为我国工业化和信息化发展做出贡献。

无线网络化控制系统是车联网、智能家居、智能工厂等新一代智能系统的底层理论模型，本项目从理论和应用多个角度研究该类系统的联合设计和分析问题，以图为其广泛的应用奠定良好理论基础。主要研究内容包括无线网络化控制系统的理论设计和分析、仿真实验平台建设和多个领域的应用等。在项目支持下，提出了一套统一的基于资源调度和预测控制的融合通信和控制的联合设计方法，建设了一个通用的无线网络化控制系统的在线联合仿真和实验平台，并研究了该系统相关理论在一系列应用领域中的潜在用途，从而对无线网络化控制系统建立起一套完整有效的控制框架。在项目执行期内，项目组在Springer出版社出版学术专著2部，发表第一/通信作者期刊论文16篇，非第一/通信作者期刊论文19篇，第一/通信作者会议论文6篇，非第一/通信作者会议论文7篇；授权发明专利2项，受理发明专利8项。培养硕士研究生毕业9人，指导本科毕设论文9人。