联合通信参量的网络控制系统同步设计方法研究

在通信受限的NCSs中，系统的QoS和QoP是一对矛盾体，现有网络化系统的分步设计方法未能全面反映网络运行的复杂动态行为及QoS和QoP的强耦合特性，因此无法从根本上保证系统总体性能全局最优。本项目首先依托ProfiNet运动网络多直流电机群实验平台，定量分析QoS和QoP的强耦合特性；进而，应用周期通信序列及混合逻辑动态构架将闭环NCSs建模成一种联合QoS通信参量的集控制和调度为一体的周期性离散混合逻辑动态系统，并在此基础上建立全局NCSs多目标综合性能最优的目标函数和约束条件；最后，利用基于抽象凸的下界估计理论求解相应的优化问题，从而确保控制系统具备良好的动态重构能力以及对网络负荷过载的鲁棒性能。本项目旨在揭示网络QoS对系统QoP的影响规律及二者之间的强耦合特性，提出应用抽象凸下界估计理论的联合通性参量的NCSs同步设计方法可为NCSs的设计和性能分析提供新的研究思路和解决方案。

在通信受限的NCSs中，控制系统的QoS 和QoP 是一对矛盾体，现有网络化系统的分步设计方法未能全面反映网络运行的复杂动态行为及QoS 和QoP 的强耦合特性，因此无法从根本上保证系统总体性能全局最优。本项目针对多节点（系统的测量输出/控制输入由多个节点发送/接收）网络化控制系统，将具有丢包影响的NCSs转化为一类具有动态逻辑的单一离散周期异步动态系统，建立联合网络丢包特征的网络控制系统模型。研究了多节点网络的最大丢包数与系统指数稳定性之间的定量关系，并建立了各节点最大丢包率、回路最大连续丢包数、网络吞吐量与系统指数衰减率之间的定量关系。并在此基础上，提出了在未知丢包规律且系统多包传输的情况下的多节点网络化控制系统输出反馈保性能控制器的设计方法。最后，针对多输入/多输出网络化控制系统协同设计中存在控制器增益、通信序列无法动态重构，调度算法对一类慢变信号存在网络调度器失效以及系统的复杂度过分依赖于调度模态等诸多问题进行研究。提出IAE指标作为系统给定的性能指标的可动态重构调度策略。进而，在此基础上建立了集成调度与控制为一体的系统动态可重构模型并且给出了系统渐近稳定的充分条件及增益可重构的状态反馈控制器的设计方法。本项目研究给出的网络服务质量与控制性能之间的定量解析关系描述可为采用多包传输的MIMO系统在通信受限、网络服务质量发生恶化，多个控制回路不可调度时，如何采用主动丢包方式以保证NCSs的可调度性和一定的控制性能提供理论指导。项目研究结果与动态MEF-TOD调度算法相比，其设计的控制系统自由度更大，并能够根据给定系统性能指标动态调整网络调度器的通信序列和控制器增益，系统具有较好的动态性能和动态重构能力。目前，项目研究的部分成果已成功应用于中药提取、浓缩设备的网络化控制系统中，并取得良好的控制效果。