事件触发网络化控制系统的丢包补偿及协同设计研究

Due to its obvious advantage on the efficient use of resources, the event-triggered mechanism has been quickly applied in networked control systems in recent few years. In this configuration, the event-triggered data packets become especially important for feedback control of the system; furthermore, the consecutive event-triggered signals actually are internally correlated. But there is still no result on dropout compensation for this kind of key packets. Inspired by the observations, this project is concerned with compensation strategies design for the lost event-triggered packets and the related network codesigns. Firstly, a static and a dynamic event-triggered threshold conditions will be co-designed with a finite-level quantizer by using the current sampled and quantized signals, respectively. Utilizing some dynamic predictive compensation queue based method, we will present a compensation scheme for the lost event-triggered packets(CSLEP). A well constructed switching Lyapunov functional will be employed to analyze the resulted event-triggered networked control system with random network-induced delays and uncertain event intervals. With consideration of some specific performance of communication and control, we will study co-design of the event generator, CSLEP, finite-level dynamic quantizer and disturbance attenuation controller for the event-triggered networked control systems. Finally, the obtained results will be applied to temperature control of the main steam in a thermal power plant. This project is proposed to provide new ideas and methodologies for the theory and applications on event-triggered networked control systems.

由于在资源有效利用上的明显优势，事件触发机制近年来被迅速应用于网络化控制中。在此框架下，事件触发的数据包对系统反馈控制的作用变得更为关键，而且前后触发的数据具有内在的关联，但关于这种关键数据包的丢包补偿还尚未有研究。为此，本项目将开展事件触发网络化控制系统中关键包的丢包补偿及网络协同设计研究。首先，利用系统当前采样和量化信号进行事件触发阈值条件和有限维量化器的协同设计；采用基于动态预测补偿队列的方法，从传感器、控制器、驱动器端对随机丢失的关键包进行动态补偿；考虑网络诱导时延和不确定事件触发间隔，利用切换李雅普诺夫泛函方法对所得系统进行干扰抑制性能分析，进而研究在系统具体通信和控制性能指标下，事件触发器、丢包补偿策略、有限维动态量化器和干扰抑制控制器的协同设计；最后，将所得结果应用于火力发电机组中主蒸汽温度控制系统。项目预期成果将为事件触发网络化控制理论及应用提供新的思路和方法。

由于在灵活性、经济型、低成本等方面的明显优势，网络化控制系统无论是在理论研究还是实际应用领域都取得了长足的发展。本项目主要针对传统网络化控制系统中基于周期采样机制出现的冗余数据传输，研究如何利用系统动态建立基于事件触发的信息传输机制，以及在此机制下如何考虑网络诱导因素（随机掉包、网络时延、信息量化）和控制器的设计。在网络化事件触发传输机制的设计方面，基于系统当前采样信号和最近成功传输的信号，我们建立了固定的和动态自调节的事件触发信息传输机制，并将所得动态事件触发控制策略应用在汽车主动悬架的H无穷控制中，取得了较好的控制效果；针对事件触发数据包的随机丢失现象，通过约束信号误差的上界，我们给出了一种混合触发机制及相应的控制器设计方法；通过利用事件触发机制中的参数设计带有死区的有限维动态量化器，给出了事件触发阈值条件和有限维动态量化器的协同设计方法；通过引入区间时变时延来刻画不确定事件触发间隔之间的系统动态，并为该人工时延和网络诱导时延进行了二分段精准范围刻画，再利用切换李雅普诺夫泛函方法对所得系统进行干扰抑制性能分析，从而给出了保守性较小的控制设计结果；针对可能出现的恶意网络攻击，我们考虑了错误数据注入和拒绝服务攻击，设计了在线攻击检测估计器，得到了有效的分布式安全估计方法；对于多个信道之间存在冗余信道传输的问题，我们利用混合整数定界法给出了行稀疏的结构控制器设计方法。项目研究结果将为建立低功耗的网络化系统的稀疏信息传输机制提供借鉴。