基于调度采样的网络化系统分布式控制策略研究

The performances of networked control systems (NCS) with limited channels depend on not only the controller design but also the scheduling strategy of network resources. This implies that the good selection of the control strategy and scheduling sampling strategy is required such that the control performance can be guaranteed. The aim of the project is to investigate channel assignment, system analysis and distributed control strategy for large-scale NCS with limited channels based on scheduling sampling mechanism. This project contributes to the development of the modeling of NCS with optimal scheduling sampling, the analysis of the controllability and observability, and the design of the distributed control strategy. Specifically, the scheme of optimal scheduling sampling depending on the utilization of channel resources and the performance indicators of the system is developed to improve the utilization of network bandwidth. According to whether there exist some couplings between subsystems or not, the system models can be respectively built as hybrid systems with continuous and discrete properties. For such two cases, a methodology for analyzing the controllability and observability of the hybrid systems is proposed. Then, based on the structure properties of the sub-controllers, the distributed controllers fall into two cases: local and non-local control structures, respectively. By using model reduction method, the problem of the distributed controller design with the desired system performance guaranteed is solved. This project can provide the theoretical basis for the application of NCS.

在信道受限的网络化系统中，系统的性能不仅依赖于控制器的设计还依赖于网络资源的调度策略，需要选择有效的控制策略和调度采样策略来确保系统的控制性能。本项目以信道受限的大型网络化控制系统为对象，研究基于调度采样的机制以及与之相关的信道分配、系统分析和分布式控制策略，拟从最优调度采样的系统建模、可控性可观测性和分布式控制策略三方面开展研究。具体而言，是以系统的性能指标和信道资源为依据，设计最优调度采样策略提高网络带宽利用率，并根据子系统之间是否存在耦合，分两种情况将系统建模为具有离散特性和连续特性的混杂系统；在上述两种情况下分析系统的可控制性和可观测性，获得系统可控性和可观测性的充要条件；根据子控制器的结构特性，将分布式控制器设计为局部和非局部控制结构，在保证系统整体控制性能的前提下，利用模型降阶的方法解决分布式控制器设计问题。本项目的实施能够为网络化系统的应用研究提供理论依据。

在信道受限的网络化系统中，系统的性能不仅依赖于控制器的设计还依赖于网络资源的调度策略。本项目针对具有大量的传感器和执行器通过信道受限的通信网络与控制器相连接的网络化控制系统，选择有效的控制策略和调度策略来研究传感器、执行器信道分配、可控性和可观测性判定、稳定性分析、控制器设计等重要问题的影响机理及其解决方法。建立了一套关于信道受限的网络化控制系统的建模、分析和综合的理论体系，并将其应用到多智能体系统以及车辆编队控制中，对所得结果的有效性和实用性给出分析和评价。主要研究成果包括：（1）揭示了系统的性能指标和采样策略的内在联系，以系统的性能指标和信道资源为依据，设计可最优调度的采样策略来提高网络带宽利用率。并根据子系统之间是否存在耦合，分两种情况将系统建模为具有离散特性和连续特性的混杂系统。（2）假设系统两侧的信道是可调度的，分析了系统的可控制性和可观测性，并获得系统可控性和可观测性的充要条件，基于该条件给出了一种新颖的结合静态和动态调度策略的混合调度策略。(3)将信道受限的网络化控制系统的理论成果应用到多智能体控制和车辆协作控制中，利用模型降阶的方法解决分布式控制器设计问题。获得了可以保证多智能体的一致性和车队稳定的控制方法，并对该方法的有效性和实用性进行了分析。该项目的进展成果能够进一步推进网络化系统的实际应用。