通讯和计算资源受限系统的控制设计和分析

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通讯和计算技术的飞速变革使得控制系统的发展呈现出新的趋势,在此过程中涌现出的大量新型系统,如物联网、信息物理融合系统等,都依赖复杂的通信网络和各种嵌入式计算设备闭合控制系统。通信和计算技术的大量使用拓宽了控制系统的适用范围,但与此同时通信与计算的各种限制也引入到控制系统中,使得对该类系统的设计和分析需要新想法新思路。本文研究了两类特殊通信和计算受限系统的设计和分析问题。针对特定场景下的通讯和计算资源受限系统分别给出了问题的严格定义,提出了相应的解决方案并利用仿真实验验证了方法的有效性。本文主要工作包括:1.研究了通信网络多包传输引发的多时延通信限制问题。无线通信技术的广泛使用使得多个传感器采集系统信息的情况变得很普遍,但多传感器的使用造成了控制系统输出由独立的多个数据包传输的情况,即“多包传输”,这引发了系统输出各个部分时延不一致的问题,造成了设计的困难。对该问题给出了严格的数学定义,在基于状态重建的基础上利用预测控制思想给出了一种基于数据包的主动补偿方案,并分析了方案的闭环稳定性,最后分别使用纯数值仿真和基于TrueTime工具箱的仿真对方法的有效性进行了验证。2.研究了由于控制系统和其他组件共享有限计算资源而可能引起的控制系统计算资源不足的计算资源受限问题,该问题在物联网等大规模使用共享嵌入式计算设备的系统中较易出现。针对该问题提出了一种全资源预测控制方法,在不占用更多系统计算资源的前提下优化了控制系统性能。对闭环系统的稳定性和方法的可扩展性做了进一步的分析,并对方法的有效性基于Matlab仿真进行了验证。
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