信息物理融合系统的分布式采样控制
黄俊华;胥布工;陈立定
【摘 要】alps针对信息物理融合系统(CPS)中的协调采样控制问题,提出了一种分布式控制算法.首先将CPS中的物理过程和数据信息处理过程建模为一组耦合关联的子系统和一组可以相互通信的控制器;然后利用输入延迟方法构造Lyapunov-Krasovskii函数,并对系统的稳定性进行了研究;接着基于稳定性理论,给出了系统在分布式采样控制律下的稳定性条件,并在此基础上设计了一种分布式采样控制算法.数值仿真结果表明:当控制器通信连接与系统耦合程度相当时,用于控制耦合程度较强的子系统控制器增益较小;当最大采样时间变大时,控制器的控制约束量变大;文中提出的算法能根据物理过程的耦合关系合理地配置CPS中的控制器资源.
【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》
品种英文【年(卷),期】cica2019(047)002
【总页数】10页(P31-40)
【关键词】信息物理融合系统;Lyapunov函数;采样控制;分布式控制;输入延迟
【作 者】黄俊华;胥布工;陈立定
chow是什么意思【作者单位】华南理工大学自动化科学与工程学院,广东广州510640;华南理工大学自动化科学与工程学院,广东广州510640;华南理工大学自动化科学与工程学院,广东广州510640
【正文语种】中 文
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【中图分类】TP273
随着微型智能器件和通信技术的迅猛发展,数据信息系统和物理系统之间的融合速度得到极大的提升;网络技术的快速发展催生了新一代物理设备网络化和信息化系统——信息物理融合系统(CPS)[1].CPS把感控能力、计算能力和通信能力与物理对象完美地结合在一起.CPS借助高效的通信网络技术和功能强大的智能器件,通过信息计算和物理过程的相互影响,实现计算、通信和控制的深度融合与实时交互,实时的检测及控制物理过程,从而实现了物理系统与数据信息系统间的循环反馈[2- 3].CPS因其常见于传感执行网络[4- 5]、航空航天飞行器控制系统[6]以及网络化控制系统[7]等网络化应用而备受关注,且当网络化控制系统强调物理系统与数据信息系统的融合时,可看作为CPS.许多国内外学者把数据信息处理过程看作为C
PS中的研究热点之一,这些研究热点可归类为数据信息及系统安全性[4]、数据传输与调度算法[8]、协作式控制方法[9]等.由于CPS强调信息计算与控制能力的有机结合,因此对数据计算与控制算法的联合研究显得很有意义.
与传统的网络化控制系统相比,CPS中物理系统与数据信息系统的高度融合集中表现为计算、通信和控制在数据信息处理过程中的融合[1];而分布式数据处理方式常常作为数据信息处理过程中重要的信息处理与控制手段.这种分布式数据处理的特点是,子系统可通过通信网络获取相邻子系统的数据信息,并以之作为计算资源参与自身的数据处理[9].Lin等[4]针对由分布式传感器组成的信息物理融合系统,研究基于事件触发的分布式滤波的数据安全问题.Teixeria等[10]针对执行器故障下网络化控制系统的重新配置问题,通过若干工作正常的执行器组成分布式网络,给出了保证控制性能的执行器的设计方法.Ahn等[11]针对基于信息物理能量网络的发电供电系统,根据分布式协调机制提出了一种解耦的分布式能量生成和能量分配方法.
elizabethardenCPS同时也是一种面向资源实时优化配置的高效智能系统[3].对于控制系统,采样间隔的选定对控制性能的提升起到关键性的作用[12].Lee等[8]研究以数据为中心的自适应采样和睡
眠调度方案,减轻了传感器网络的通信开销及计算负载.由于计算、通信和控制的深度融合,有研究学者通过CPS的信息通信网络配置优化来提升整体系统的控制性能.Gusrialdi等[13]研究了互联系统中控制器间典型的通信拓扑对闭环系统特征值的灵敏度,并对通信拓扑、子系统健壮性与系统整体的控制性能进行了定性分析.Khorsand等[14]针对以链式结构排列的车辆队型控制问题,设计了最优分布式控制器.Feyzmahdavian等[15]针对一类具有时滞信息分发的网络化控制系统,研究了分布式输出反馈LQG控制器.Sui等[16]针对随机时滞和随机丢包的多智能体系统,提出了基于分布式的采样一致性控制算法.
根据物理过程系统耦合程度研究基于数据信息系统通信网络的控制问题,逐渐受到研究学者的广泛关注.数据信息系统的分布式通信网络能有效应对CPS中数据信息处理过程与物理过程的相互融合.Kim等[17]针对一类特殊关联的网络化协作控制系统,给出了一组最优线性控制器的动态方程及其相互的通信链路.Blanchini等[18]针对物理过程相互独立的不稳定网络化控制系统,给出了由若干控制器组成的分布式控制器网络实现系统渐近稳定的充分条件.Swigart等[19]针对相互关联的网络化控制系统的最优控制问题,给出了系统中各个控制器的显式状态方程,并对控制器间不同通信拓扑下的系统控制性能进行了对比.Razeghi-Jahromi等[20]针对分布式网络化控制系统,研究不同通信网络拓扑下分布式控制器的控制增
益约束.
尽管目前有较多关于数据信息处理过程的分布式研究成果,但它们仍然存在着一些局限性.在工程应用中,数字计算机常常作为控制器用于控制连续系统,但控制信号不是一致连续的.数字计算机对连续系统的测量信号进行采样,并通过零阶保持生成离散的控制信号.对于这一类利用离散控制信号来控制连续对象的网络化控制系统,通常采用采样控制方法来分析及控制这类系统.当前对采样控制的处理方法有两类：离散化方法和输入延迟方法.当数据信息系统中控制器的采样间隔不是一致的[21]或控制器仅能控制单一的被控对象[20]时,采用输入延迟方法对输入控制项进行建模,将有利于分析系统的稳定性.
基于以上考虑,文中主要研究数据信息处理过程中控制算法的设计,针对存在内部耦合的信息物理融合系统,利用输入延时的控制方法和分布式控制算法,提出了一种基于分布式的采样控制算法.首先,结合CPS中计算、通信以及控制深度融合的特点,利用融合了控制信息的通信网络拓扑特征构造能量函数,提出了与采样时间无关的分布式采样控制律,得到了保证系统稳定的充分条件;然后,通过设计的分布式采样控制律,研究采样时间、通信网络拓扑与控制器增益的关系;最后通过仿真算例对该分布式采样控制算法的有效性进行了验证.
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1 模型的建立
1.1 符号说明
定义有向图G={v,ε}由顶点集合v(v={1,2,…,N})和边界集合ε(ε={eiji,j∈v})组成,eij=(j,i)为G中的顶点j指向顶点i的有向边界;为顶点i的出度邻居集合,为顶点i的入度邻居集合;Mi，j为实数矩阵M的第ij维分块矩阵;为集合中元素的数目,为顶点i的入度,为顶点i的出度;为n阶的正定对称矩阵集合.
1.2 基于分布式控制的CPS模型
由于CPS是一类依赖于网络通信的功能强大的分布式系统,计算、通信和控制的深度融合是CPS的显著特点,文中基于CPS与分布式控制系统的特点[1,11,20],将CPS定义为一组以固定拓扑耦合的物理对象和一组可通过通信网络实现链接的控制器的集合,如图1所示.物理过程系统由一组物理对象及其相互的耦合关系构成,而数据信息系统则由一组具有通信能力、计算能力及对物理对象有控制能力的控制器组成.这些控制器通过某种指定的调度机制建立相互的通信链接而形成网络,文中将这种由一组控制器组成的网络简称为控制器网络,并以之作为所讨论数据信息系统的实例.
