[01447693]分布式系统网络化控制理论及应用

网络控制系统在智能交通系统、输变电系统、工业过程控制系统、多机器人系统等诸多领域应用越来越普遍,因此已成为控制科学和工程领域的研究热点之一。在多项国家自然科学基金项目、霍英东教育基金项目及教育部新世纪优秀人才支持计划项目支持下,针对具有带宽限制的网络化控制系统, 本项目研究了网络通信速率与控制系统动态性能的关系,尤其是克服网络信道限制、传输延时、丢包等因素的综合影响,从通信资源利用率和控制性能两方面出发,建立了解决网络化系统的信道分配、稳定性分析以及信道分配与控制协同设计等基础科学问题的理论体系,并将相关理论结果应用于车联网环境下的车辆协作调度与控制之中,通过实验室电动小车的验证,形成了实用的网络化车辆协作控制技术。 本项目的主要创新成果概括如下： （1）解决了受网络带宽限制的网络化系统的反馈控制和状态估计问题,给出了这种系统的稳定性条件,并获得了通信速率与系统状态变化率的定量关系。提出有限回归编码-估计器序列概念,获得了一类随机变量的平均估计误差上界,并分析了编码-估计算法的收敛性,确立了渐近收敛的编码-估计器对应的通信速率与被观测过程状态变化率间的关系。 （2）针对具有大量节点共享容量有限的通信网络资源的分布式网络化系统,提出通信信道调度和控制器协同设计这一重要科学问题,综合考虑信道访问约束、网络延时、丢包等网络因素,获得了关于控制器与节点任务调度/网络信道调度协同分析及设计的一整套理论和方法。首先提出了基于静态调度的协同设计方法,随后提出基于动态调度的协同设计方法,最后结合两者之优点提出混合静态-动态调度与控制协同设计理论体系。 （3）最早提出基于随机事件驱动的控制系统节点任务分配和控制问题,并最早对执行器受随机事件驱动的网络化控制系统进行了探索性研究。首先解决了信道访问受限且执行器受随机事件驱动时的控制系统分析与设计问题,进而研究传感器和执行器均受随机事件驱动分组启动工作的系统,考虑传感器-控制器侧和控制器-执行器侧的延时和丢包因素,解决了随机事件驱动的网络化控制系统的分析与设计问题。 （4）提出一种可用于网络化多智能体系统的基于终点滑模的连续有限时间控制方法,并用Lyapunov方法分析了所得控制器的鲁棒性。与传统连续滑模控制方法相比,该终点滑模控制方法具有更快、更精确的跟踪性能。 （5）将网络化控制系统的理论推广应用到自主车辆的协作控制问题之中,获得在网络化环境下解决车辆协作控制问题的一系列方法,并经实验室规模的小车验证,形成实用网络化车辆协作控制技术。具体而言,基于无线网络反馈信息和车载传感器测量信息的异质反馈信息,提出全新的车辆协作控制系统描述方法。在此基础上,考虑车辆油门踏板及制动器延时,解决了传感器测量能力受限时的自主车辆编队控制问题,并通过实验室Arduino智能车队实验进行了验证和检验,表现出很好的实用性。