[01169302]具有介质访问约束的网络化系统控制与通信调度研究

一、课题来源与背景： 本课题来源于国家自然科学基金项目61563031。 随着计算机、控制、通信等技术的迅速发展,出现了基于通信网络的网络化控制系统（Networked Control System, NCS）,网络化控制是复杂大系统控制和远程控制的客观需求,并且已成为当前自动化领域技术发展的必然趋势。网络的引入使得控制系统的结构发生了巨大的变化,NCS不但成本低、可靠性高、而且安装和维护简便、易于实现远程的操作与控制。因此,NCS在工业控制、电力系统、智能交通及航空航天等领域得到了广泛的应用。 二、研究目的与意义： 由于网络通信系统本身所具有的特性,NCS也使系统和控制理论面临新的挑战。一方面,在NCS中控制器与传感器/执行器通过网络进行数据交换,不可避免的存在着时延、数据丢包和量化误差等通信约束,这些通信约束具有难以预测,突发性强等特点,这就要求我们采用新的方法和理论来研究NCS,对系统进行分析与综合;另一方面,NCS必然存在着通信调度的问题,采用合理的通信调度策略,在一定程度上可以减少网络冲突、阻塞等不利因素的发生,从而改善NCS的控制性能。因此,针对NCS开展控制与通信调度的协同设计,具有重要的科学意义和应用价值。 三、主要论点与论据： 本课题在已有的研究基础上,针对网络化系统控制与通信调度协同设计理论进行了大量的研究工作,主要的研究成果如下： 1. 静态通信序列与控制器的协同设计研究 通过深入分析信道受限对控制系统的内在影响,设计了保证系统结构特性的静态通信序列,给出了信道受限条件下网络化控制系统的典型结构。进一步,通过采用状态提升技术和等价模型方法,建立了网络化系统离散时间模型,在此基础上完成了静态通信序列和控制器的协同设计研究。 2. 动态通信序列与控制器的协同设计研究 考虑到网络化系统信道受限的本质特征,将NCS建模为通信矩阵随介质访问约束而变化的切换系统,运用最优控制和切换系统理论设计可动态调度的最优控制器及其实时切换规则,并分析了闭环系统的稳定性,实现动态通信序列与控制器的协同设计。 3. 信道随机分配的网络化系统控制方法设计研究 在探讨网络通信介质随机分配机制的基础上,采用马尔可夫过程对参与信道分配的随机事件进行描述,将系统建模为具有多个状态的马尔可夫跳变系统。根据最优控制和随机系统理论,给出系统的稳定性条件和控制器设计方法。 四、创见与创新： 本课题针对具有大量的传感器和执行器通过有限带宽网络与控制器相连接的NCS,通过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系统建模、分析与综合的理论体系。 五、社会经济效益,存在的问题： 1. 课题取得的社会经济效益 针对本课题所完成的研究工作,总结撰写学术论文15篇,其中,已发表SCI、EI收录论文8篇,权威论文3篇,其他论文4篇。以本课题为依托,培养博士/硕士研究生6名。 2. 课题成果转化及应用情况。 在本课题实施过程中,课题组搭建了无线网络化控制系统实验平台,开展了大量基础性的研究工作,同时还注重相应技术的推广。在理论研究的基础上申请了横向科研课题：基于Zigbee无线物联网的风力机叶片动态监测分析。该横向科研课题已由中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司立项。 六、历年获奖情况： 无。