网络化控制性能与带宽调度协调优化设计及其仿真

基于网络化控制系统是具有延迟约束的实时系统,首先建立了保证网络控制性能的延迟约束模型,以此为基础提出满足上述延迟约束的带宽调度策略,以兼顾控制系统控制性能和网络系统服务质量;利用时间需求分析,给出在该策略下的周期、偶发与非周期等３种网络数据的可调度条件及延迟估计的算法,给出调度策略与保证网络控制性能的协调优化设计方法;最后提出一种控制系统与网络调度的集成仿真平台,并举例说明了策略的有效性．

     

分布式网络化控制系统优化协同设计

网络化控制系统的性能不仅与控制器的设计有关还与网络QoS有密切的联系;针对基于CAN总线协议的多闭环控制系统共享网络带宽的控制与资源调度协同设计问题,首先给出连续控制系统性能指标与传输延迟、采样周期的近似线性关系,然后以此为目标函数,以不可抢占RM可调度性和控制系统稳定性为约束条件,分配网络带宽,使控制系统整体性能最优,并对得到的传输周期进行谐调化处理,提高网络利用率;采用资源预留方法在不影响周期数据实时性的前提下,保证非周期数据的平均响应时间;最后将协调设计结果应用于某基于CANopen协议的分布式控制实验系统,控制3组倒立摆,通过研究脉冲响应并已有的调度策略比较说明了所提出策略可以有效提高控制系统性能及带宽利用率.     

基于传输误差的网络控制系统调度方法

提出一种基于网络传输误差的控制系统调度方法,分析经典的静态和动态调度策略,给出通信网络的可调度性判据和网络调度下的控制性能稳定性约束。针对不可调度情况,使用网络监测得到网络传输误差,调整传感器的采样周期和在控制器进行数据包补偿的方法,并通过仿真实验验证该方法的有效性。     

针对时间距离约束的网络化控制系统带宽调度策略

网络化控制系统是一种具有时间距离约束的硬实时系统.根据该特点,在深入分析网络化控制系统时间距离约束关系的基础上,提出一种针对时间距离约束的网络化控制系统带宽调度策略.该策略能够更有效地与网络化控制系统的控制算法相配合,同时兼顾控制系统控制性能和网络服务质量,优化系统总体性能.最后通过仿真实例说明了该策略的有效性.     

网络化控制系统性能与网络QoS协调设计研究*

基于网络QoS如延迟、丢包,建立网络化控制系统状态方程,通过双线性矩阵不等式(BMI)讨论在某种网络QoS下控制系统的稳定性,并以离散系统二次型性能指标为例设计最优LQR(linear quadratic regulator)控制器,得到保证系统控制性能的网络QoS约束。针对该约束,提出一种能够兼顾系统性能与网络QoS的网络化控制系统控制与调度协调设计方法。最后,通过仿真实验说明提出的协调设计方法的必要性和有效性。     

MVB非周期信息的实时能力分析

MVB的实时能力是基于TCN的列车网络控制系统实时性能的重要保证,详细分析了MVB非周期信息的通信原理和调度流程,对仲裁延迟进行了具体的定义,在研究MVB周期信息和非周期信息带宽占用的基础上,给出了MVB非周期信息的最差情况响应时间.根据非周期信息的各种轮询机制,建立不同优先级的最差情况响应时间计算公式.在此基础上,提出了非周期信息实时能力优化策略,分析表明,该策略有效提高了MVB非周期信息的实时通信能力.     

针对时间距离约束的网络化控制系统带宽调度策略

网络化控制系统是一种具有时间距离约束的硬实时系统.根据该特点,在深入分析网络化控制系统时间距离约束关系的基础上,提出一种针对时间距离约束的网络化控制系统带宽调度策略.该策略能够更有效地与网络化控制系统的控制算法相配合,同时兼顾控制系统控制性能和网络服务质量,优化系统总体性能.最后通过仿真实例说明了该策略的有效性.

     

控制系统中一种新的周期性任务模型及其优化调度算法

分析了控制系统中的周期任务特性 ,给出了控制系统周期性任务的一种新任务模型 - -周期性任务分解模型 ,它将系统中的控制回路分解为几个子任务 .给出适合此任务模型的调度算法——双优先级调度算法 ,引入了辅助优先级 .该算法能够控制子任务执行顺序和降低控制输入输出延迟 .分析了任务集的可调度性 ,给出了任务集可调度的充分必要条件 .最后讨论了系统性能优化的问题 ,给出了系统性能优化的调度算法     

基于误差阈值的网络控制系统通信调度

针对网络控制系统的带宽约束问题,提出一种基于误差阈值的确定性通信调度策略来控制网络节点数 据的发送,并将其应用于基于模型的网络控制系统（MB-NCS）中,建立了具有通信调度功能的MB-NCS 模型．进 一步对该系统的稳定性进行了分析,给出了系统中被控对象状态的稳定域范围．仿真算例表明,引入了通信调度策 略后,在获得较好系统性能的情况下,数据发送次数明显减少,有效地减轻了系统对网络的依赖．     

基于动态调度的网络控制系统设计方法

针对网络控制系统中存在多回路共享网络资源的问题,本文提出一种基于反馈和预测机理的动态调度策略,根据当前的网络状态在线调整控制系统的采样周期,以适应当前网络中信息流的变化,达到改善网络运行性能的目的．采用动态调度策略的网络控制系统为不确定变采样周期系统,经过等效变换,将系统等效为一类具有参数不确定性的离散系统．基于建立的模型,给出系统的鲁棒控制器参数化设计方法,并通过仿真实例验证了所提方法的有效性．     

Hybrid Scheduling and Quantized Output Feedback Control for Networked Control Systems

A novel co-design scheme of hybrid scheduling strategy, adaptive logarithmic quantizer and dynamic robust H-infinity output feedback controller for a class of networked control system (NCS)with communication constraints and time delay is proposed. The hybrid scheduling scheme integrates dead zone scheduling and Try Once Discard (TOD) scheduling so as to get the stronger adaptability and flexibility than the single scheduling. In this scheme, dead zone scheduling which updates the threshold according to mode-dependent control strategy is used for single node of NCS to reduce the network bandwidth utilization while TOD scheduling is used for the whole node of NCS in order to meet the requirements of communication constraints and guarantee the overall system performance.We develop the integrated design for the hybrid scheduling strategy, adaptive quantizer and dynamic robust output feedback controller to maintain asymptotic stability of the closed-loop NCS by using the multiple-Lyapunov function and switched system theory. The proposed method can improve the the quality of service (QoS) meanwhile ensure the quality of control (QoC) of overall systems, which make a better trade-off between network utilization and control performance. An simulation example demonstrates the efficiency of the proposed method.     

一类线性网络控制系统鲁棒L1控制

研究一类网络控制系统(NCS)的L1控制问题.针对一类具有时延和丢包的网络控制系统,将其建模为线性时变时延系统,利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式方法建立具有鲁棒L1性能约束的状态反馈控制器.首先给出闭环系统渐近稳定且具有峰—峰值性能约束的充分条件,然后给出网络控制系统状态反馈控制器L1控制率的设计方法,最...     

Stabilization of linear discrete‐time networked control systems via protocol and controller co‐design

This paper investigates the stabilization problem for networked control systems (NCSs) with communication constraint and packet loss. The communication constraint considered is that only one network node is allowed to access a shared communication channel during one time‐slot, and a feedback control is performed with only partially available measurements and control inputs. By taking random packet loss into consideration, a stochastic switched system model is presented to describe the NCS. A sufficient condition is derived for the NCS to be mean‐square exponentially stable, and it is shown that the system performance specified by the exponential decay rate critically depends on the network accessing rates (NARs) of the network nodes and the packet loss probability. The state feedback controller and scheduling protocol, which allocates the NARs, are co‐designed such that the NCS achieves a minimal decay rate. Finally, an illustrative example is given to show the effectiveness of the proposed design approach. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

具有通信约束的网络化控制系统容错控制研究

Implementing a control system over a communication network induces inevitable time delays that may degrade performance and even cause instability. One of the most effective ways to reduce the negative effect of delays on the performance of networked control system (NCS) is to reduce network traffic. In this paper, adjustable deadbands are explored as a solution to reduce network traffic in NCS. A method of fault-tolerant control of networked control system is presented, which takes into account system response as well as network traffic. The integrity design for a kind of NCS with sensor failures and actuator failures is analyzed based on robust fault-tolerant control theory and information scheduling. After detailed theoretical analysis, the paper also provides the simulation results, which further validate the proposed scheme.     

等式约束的网络化控制系统的稳定性设计

研究了等式约束的网络化控制系统的稳定性问题．在假设网络时滞是随机变化的，并且假设网络化控制系统的被控对象为一个具有等式约束的时滞系统的情况下，将网络化控制系统模型化为一个混合系统．然后采用李亚普诺夫函数、线性矩阵不等式的方法推导出了该混合系统渐近稳定的一个充分条件．根据此充分条件，通过求解一个线性矩阵不等式，较容易地获得系统的最大允许网络时滞以及此时的控制器．最后给出一个具体的数值和仿真实例说明了此设计方法是有效的．     

网络化控制系统综合控制方法研究

在阐明网络化控制系统采用兼顾控制系统性能质量(QoP)和网络服务质量(QoS)的控制方法的必要性和可行性的基础上,提出了一种能够兼顾控制系统QoP和网络QoS的网络化控制系统综合控制方法,并对其工作机理进行分析.在对目前相关的研究工作进行分析总结的基础上,提出了一种基于网络化控制系统综合控制方法的控制模型,最后通过一个数字仿真实例说明了该模型的有效性.     

SCHEDULING AND CONTROL CO‐DESIGN FOR DELAY COMPENSATION IN THE NETWORKED CONTROL SYSTEM

The networked control system (NCS) is currently receiving increasing attention from researchers. Researches on this subject, however, have not considered the co‐design of network quality of service (QoS) and control quality of performance (QoP). This paper proposes a novel NCS design framework based on scheduling and control co‐design to compensate for random network‐induced delays. In the framework, a scheduling algorithm used to find the optimal sampling regions of control loops performs rough adjustment and guarantees the network QoS, while a novel adaptive fuzzy PID controller is designed to perform accurate adjustment to guarantee the control QoP. Practical application results obtained with a multi‐loop NCS show that the framework can ensure satisfactory performance due to its robustness against network uncertainty.