基于事件的网络化估计与控制研究

In the theory research and practical utilization of networked control systems, a key problem is how to harmonize the relation between the usage of limited resource and the optimization of system performance. This project aims to explore the role of event-based mechanism in improving the performance of networked estimation and control. The research contents include: Consider event-based remote state estimation via measurement innovation, we point out the irrationality of the widely adopted “Gaussian approximation” assumption, and try to design an optimal estimation algorithm without such an assumption; Consider the scheduling problem for systems with smart sensors, design the pure event-based scheme to replace the existing hybrid time/event-based mechanism, and extend existing results to the situation of any communication rate; Discuss event-based predictive control, use prediction to improve system performance and design event-based scheme to reduce bandwidth occupation while guaranteeing system performance. And obtain the condition for ensuring the independent design of the controller, the state predictor as well as the event-trigger. Last but not the least, innovatively turn the event-based control into a team decision problem of decentralized control. Try to codesign controller and scheduler using related theory. By deeply studying the event-based mechanism, as well as applying team decision theory, the project expects to provide novel theory and method for the analysis and design of networked control systems.

在网络化控制系统的理论研究与实际应用中，一个关键问题是如何协调有限资源与系统性能之间的关系。本项目考查事件驱动机制对于改善网络化估计及控制性能的作用，具体研究内容包括：考虑基于测量新息的事件驱动远程状态估计，指出广泛采用的“高斯近似”假设的不合理性，拟提出不采用这种假设的最优估计算法；研究具有智能传感器系统的调度问题，设计纯事件驱动机制替代现有的时间/事件混合机制，使得结果适用于任意通信率情形；探讨事件驱动预测控制问题，利用预测改善性能并在保证性能的同时减少对网络带宽的占用，进而考查控制器、状态估计器以及事件触发器能够独立设计的条件；创新性地将事件驱动控制转化成分散系统的团体决策问题，拟借助相关理论联合设计控制律及调度律。本项目期望通过对事件驱动机制的深入探讨，以及团体决策理论的应用，为网络化控制系统的分析与设计提供新的理论与方法。

近年来，以物联网、智能电网为代表的网络化系统受到了学术界及工业界的广泛关注，如何在有限资源下优化系统性能成为了一个核心问题。本项目结合事件驱动机制深入探讨了网络化估计、控制及安全性能的优化问题，取得了一系列创新性成果。针对基于测量新息的远程状态估计问题，通过引入广义闭偏正态分布克服高斯截断这一难题，首次得到事件驱动机制下精确的最小均方误差估计算法；针对线性二次高斯控制的事件驱动测量调度，证明估计器和控制律可以独立设计，首次给出适用于任意通信率的MMSE估计算法；针对丢包情形下的远程估计，利用实时丢包序列提出一种事件驱动测量编码策略，得到线性MMSE估计算法及最优编码权重递推算法。此外，项目组还将调度机制拓展到网络化系统的安全问题中。从攻击者角度，以最大程度破坏系统性能为目的，分别设计了面向终端估计性能及平均估计性能的最优攻击能量调度策略。本项研究较为深入地探讨了事件驱动等调度机制在网络化估计、控制及安全中的作用，具有一定的理论价值和科学意义。

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