具有介质访问约束的网络化系统控制与通信调度研究

The co-design of the control and communications scheduling for networked control systems with medium access constraints is investigated by synchronously taking network-induced delays, packet dropouts and quantization effects into account. Due to the internal relation of control and communication, synthesis of such systems requires not only good control algorithms but also reasonable communication scheduling policies. For this purpose, based on the integrated study of control and communication scheduling, the constraints of network bandwidth are compensated by controller design, while the system control performance are optimized through communication scheduling. That guarantees the global optimization of control performance and network quality of service. Finally, when the communication channels are accessed by random communication protocols, the closed-loop system is transformed into a stochastic switched system with several modes, and the method for solving the optimization controller is investigated by applying the well-developed theory such as jump linear systems and dynamic programming, so as to improve the realtime control performance and network bandwidth utilization.

针对具有介质访问约束的网络化控制系统，同时考虑诱导时延、数据包丢失及信号量化等网络通信约束的影响，着重研究网络化系统控制与通信调度的协同设计方法。由于网络和控制的内在联系，网络化系统的控制综合不仅涉及到控制器的设计，还必须同时设计合理的网络通信调度策略。本项目综合考虑网络和控制两方面因素,通过控制器设计来补偿网络通信带宽的约束,同时也通过通信调度优化系统的控制性能,从而实现网络化控制系统控制品质和网络服务质量的全局优化。最后,在网络信道的访问状态由随机通信协议给定时，将闭环网络化控制系统建模为具有多个模态的随机切换系统，借助跳变系统理论、动态规划理论研究控制器的优化求解方法，从而达到提高控制实时性和网络带宽资源利用率的目的。

在信道受限的网络化控制系统中，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、稳定性分析和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建模、分析和综合的理论体系，并在网络化控制系统实验平台上进行了验证，对所得结果的有效性和实用性给出分析和评价。. 项目主要研究成果包括：（1）揭示了信道受限对网络化控制系统性能的内在影响，以系统的性能指标和信道资源为依据，通过对网络通信协议和系统机理的分析，建立了集信道受限与其它网络通信约束于一体的网络化系统模型。（2）基于获得的信道受限的网络化控制系统模型，探讨了多种通信约束共存条件下的控制和通信的协同设计问题，通过控制算法的设计来补偿网络带宽资源约束，同时也通过网络带宽分配来优化系统控制性能，从而保证系统整体性能的优化和实现有限带宽的最优配置。（3）在网络信道访问服从随机通信通信协议时，采用马尔可夫过程对网络信道进行随机分配，将系统建模为马尔可夫跳变系统，利用随机系统和动态规划理论解决最优随机控制策略的设计问题，并在网络化控制系统实验平台上进行了验证，验证该控制方法的有效性和实用性。. 该项目通过对信道受限条件下多种通信约束共存的网络化系统进行控制与通信的协同设计，将控制算法的设计与通信调度结合起来，尽可能地提高有限网络带宽资源的利用率，达到兼顾系统控制品质和网络服务质量的研究目标。不仅为网络化系统控制与通信调度协同设计奠定理论基础，而且对推动网络化控制系统的发展具有重要的科学意义，其成果具有广泛的工程应用前景。