网络资源受限和大时延下的复杂网络控制系统研究

In networked control systems (NCS) with multi-loop and MIMO, during the data transmission processes, time delay and data packets loss can be caused by the limited bandwidth resources or uncertain factors of network. Presently, the research of time delay mainly focus on the NCS with single loop, intelligent control, measurement and control technology, and network scheduling. However, there is a big gap in the research which can realize systematic theory for time delay compensation and control of complex NCS from the structure. A new thought and a new method are put forward to solve the difficulty of the accurate measure of time delay problem. The new innovated method is on the basis of the real data transmission process instead of the network model of time delay compensation. It meets the need of time delay from system structure, avoids measure, estimate and identification of time delay, reduces the requirement of synchronization, and has no involvement with network protocol and control tactic. Meanwhile, considering the steady state target of output as a goal for each NCS, a new deadband scheduling method is proposed. It realizes co-design of optimization for control and scheduling, makes progress and has a breakthrough in theoretical research in time delay compensation and network scheduling for complex NCS.

多回路与多输入多输出复杂网络控制系统(Networked control systems,NCS),由于受网络带宽资源有限的约束,网络不确定性等因素导致节点数据传输可能存在时延和数据丢包,时延将降低系统控制性能质量.目前国内外对时延研究主要针对单回路NCS,采用智能控制、测控技术、网络调度等方法,但缺乏从结构上实现对复杂NCS时延补偿与控制的系统性理论研究.本项目从理论上提出解决复杂NCS时延"测不准"难题的新方法与新思路,基于其结构"可实现化"的创新性研究方法,以真实网络数据传输过程代替其间网络时延补偿模型,从系统结构上满足时延补偿条件,免除对时延测量、估计或辨识,降低系统对节点时钟信号同步要求,其实施与网络协议和控制策略选择无关;同时提出以满足复杂NCS各控制回路输出稳态指标为目标的新型死区调度方法,实现控制与调度的协同优化设计,促进复杂NCS时延补偿与网络调度理论研究取得进展与突破.

(1) 针对目前国内外对NCCS的研究，尚未涉及第Ⅳ类型NCCS结构，以及关于NCCS在随机、时变和不确定性网络时延情况下的分析综合与时延补偿等问题，在理论上尚未进行过系统与深入的研究与探讨：本项目从NCCS结构上，提出并构建了适用于随机、时变和不确定性网络时延情况下的第Ⅰ类、第Ⅱ类、第Ⅲ类和第Ⅳ类型NCCS网络时延的构新型动态补偿与控制方法，并做了理论证明，其仿真研究的结果验证了所提方法的有效性； .(2) 针对目前国内外对MIMO-NCS研究的大多数都集中在系统建模与稳定性分析等方面，较少从MIMO-NCS结构上，寻找解决有关网络时延的补偿与控制的问题：提出了针对MIMO-NCS中，网络时延的补偿与控制的10余种解决方案，并做了理论证明，其仿真研究的结果验证了所提方法的有效性； .(3) 针对目前国内外对NCS死区调度算法的研究中，普遍采用IAE(误差绝对值的积分加权性能函数)作为死区阀值选择的判定依据，以及如何选择与优化死区阀值的研究中存在的问题：提出了针对复杂NCS中，死区阀值选择与各控制回路输出的稳态性能(定量)指标之间的直接关系，以及死区阀值的优化选择与数据包传输的智能判定规则，并做了理论证明，其仿真研究的结果验证了所提方法的有效性； .项目的研究工作基于工程可实现化角度出发，同时采用了“软件”改变复杂NCS结构的补偿与控制方法，在其实现过程中无需再增加任何硬件设备，利用现有NCS智能节点自带的软件资源，足以实现其补偿功能；提出的方法简单易于实施，对于广域工业过程中大量使用的复杂NCS，具有实际的工程应用前景与推广应用价值。