何江涛

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参与实验室科研项目

基于资源调度和预测控制的无线网络化控制系统的联合设计

研究课题

随着无线通信技术的发展, 愈来愈多的无线网络被应用到控制系统的中, 从而形成了“无线网络化控制”的研究主题. 无线通信大大方便了控制系统的实现与部署, 因此被广泛应用于工业自动化、智能电网、智能家居等领域. 此外, 无线通信的有限带宽和不稳定的通信质量必然给无线控制系统的应用带来挑战. IEEE 802.15.4 协议实现了低功率无线个域网的媒体接入层和物理层, 其显著特点是具有低数据率、低功耗和低成本, 因此被广泛应用于无线传感器、执行器网络中. 因此研究基于 IEEE 802.15.4协议的无线网络化控制系统具有重要意义. 在 IEEE 802.15.4 网络化可控制系统中主要存在通信资源利用、能耗效率和控制系统性能等考量因素. 在控制系统设计的过程中，需要调节无线网络的参数以满足控制系统的要求或是联合优化无线网络和控制系统参数, 对不同的因素进行权衡.

学术成果

共撰写/参与撰写专利 1 项，录用/发表论文 3 篇，投出待录用论文0篇。

patent

1. 一种基于IEEE 802.15.4协议的无线网络化控制系统的调度算法 赵云波, 何江涛, 唐敏, 倪洪杰, and 余世明 2021 [Abs] [pdf]

   一种基于IEEE 802.15.4协议的无线网络化控制系统的调度算法， 包括：步 骤1：计算控制增益序列 K ；步骤2：计算更新截止期限 k i 1 ；步骤3：制定请求采 样协议；步骤4：设计双GTS网络调度算法；步骤5：设计混合网络调度算法。本 发明将一组与时延相关的控制增益引入到传统的自触发控制来计算采样间隔， 降低了控制器的保守性；利用IEEE 802.15.4协议的信标特性制定请求采样的机 制，减轻了能量受限的传感器的负担；根据仅在紧急情况下才使用可靠通信资 源的思想设计网络调度算法。该发明在满足一定的控制性能要求的前提下，能 够较大程度地减轻控制系统对可靠通信资源的依赖性。

Journal Articles

1. Model-Based Network Scheduling and Control for Systems Over the Ieee 802.15.4 Network Yun-Bo Zhao , Deheng Xu, Jiangtao He, Xu-Gang Xi, and Yu Kang J Syst Sci Complex 2021 [Abs] [doi] [pdf]

   The scheduling and control of a class of wireless networked control system is investigated, whose control loop is closed via a shared IEEE 802.15.4 wireless network. By using a gain scheduler within the packet-based control framework and fitting the delay-dependent gains into a time-delay system model, a less conservative self-triggered approach is proposed to determine the sampling update, which consequently enables the design of two network scheduling algorithms to reduce the communication usage. Numerical and TrueTime based examples illustrate the effectiveness of the proposed approach in the sense that it reduces greatly the communication usage while maintaining satisfactory control performance.

2. Classification-Based Control for Wireless Networked Control Systems with Lossy Multipacket Transmission Yun-Bo Zhao , Jiang-Tao He, Qiao-Hui Zhu, Tao Huang, and Shi Ming Yu IEEJ Trans. Electr. Electron. Eng. 2019 [Abs] [doi] [pdf]

   A classification-based control approach is proposed for wireless networked control systems with lossy multi-packet transmission. This approach takes advantage of a state reconstruction process to deal with the distinct feature of partial failure of data transmission caused by multi-packet transmission, and then classifies the difference of the latest received system states and and reconstructed ones to design a classification-based controller. The closed-loop stability of the system is proven using the switched systems theory. By considering more communication characteristics of multi-packet transmission, the proposed approach is shown to give rise to a better system performance by a numerical example.

Conference Articles

1. State Estimation with Multi-Packet Transmission Over the Wireless Network Jiang-Tao He, and Yun-Bo Zhao In Chin. Control Conf. 2018 [Abs] [doi] [pdf]

   In wireless control, the measurement of a system may be divided into multiple partial observations for transmission purpose, known as ”multi-packet transmission”. The state estimation for the discrete linear time-invariant system with the multi- packet transmission is considered. We focus on what the filter has received during each time step. For the randomness of the received packets, the classical Kalman filter is revised to the time-varying Kalman filter. With the concept of combination and the supposed delivery rate for each packet, we analyze the stability of the filter in the sense of expectation. To deal with the combination explosion problem, alternative conditions on delivery rates is provided.

学位论文

Theses

1. 基于IEEE 802.15.4的网络化控制系统的滤波与控制 何江涛 浙江工业大学, 杭州 2019 [Abs] [pdf]

   传统的控制系统依赖于有线来连接传感器、控制器和执行器等组件。随着无 线通信技术的发展，控制系统组件可以使用不同的无线网络来连接，形成了所谓 的无线网络化控制系统。无线网络化控制系统将控制、计算和无线通信三者融为 一体，具有低成本，易部署，能拓展，可远程等优点，在家居、工业、航天、农 业等诸多领域得到应用。然而，与有线通信相比无线通信的网络诱导时延、数据 包丢失和数据包时序错乱等通信限制更为明显，不仅影响控制系统性能，严重时 还可能导致控制系统不稳定；此外，无线通信还带来了能量效率、多包传输等新 的问题；这些问题受到众多研究者的关注。 作为一种具体的无线网络化控制系统，基于 IEEE 802.15.4 标准的网络化控制 系统值得特别关注。一方面，该标准被广泛应用于无线传感器、执行器网络中； 另一方面，该标准是广泛应用于物联网的 ZigBee 协议、广泛应用于工业自动化的 ISA100.11a 和 WirelessHART 协议的基础。 IEEE 802.15.4 标准是一种被定义来支持设备之间进行低成本、低数据率通信 的无线标准，通常这些设备由容量有限的电池供能，因此能量效率问题成为 IEEE 802.15.4 网络化控制系统中备受关注的问题。此外，IEEE 802.15.4 网络支持竞争信 道接入和混合信道接入。混合信道接入是 IEEE 802.15.4 的一大优势，如何利用这 一优势进行合理的资源调度是另一个值得关注的问题。本文对这些问题进行了研 究，得到如下成果： （1）针对 IEEE 802.15.4 竞争信道接入下网络化控制系统中滤波性能与能量效 率的权衡问题，提出一种基于传感器临界到达率的自适应 CSMA/CA 参数整定机 制。实现该机制的难点在于计算传感器的临界到达率。针对该难点，本文给出了 两种求解传感器临界到达率的新的线性矩阵不等式条件，避免了因传统线性矩阵 不等式条件的维数随传感器数量呈指数增长而难以计算各传感器临界到达率的问 题。这种基于临界到达率的自适应 CSMA/CA 参数整定机制在保证满意的滤波器 性能前提下提升了整个系统的能量效率。 （2）针对 IEEE 802.15.4 混合信道接入下网络化控制系统中系统性能（包括控制轨迹和系统寿命）与非竞争通信资源的权衡问题，设计了一种保守性更小的自 触发模型，并提出了一种基于增益调度器、网络调度器的新型控制结构。在该控 制结构下，只有系统的传感数据经过无线网络传输，一步传感数据用于计算多步 控制输入，网络调度器基于设计的混合调度算法完成资源调度。该控制结构在保 证满意的系统性能的前提下优化了对非竞争通信资源的利用效率。

毕业去向

益迪教育科技发展有限公司， 后端工程师

外部链接

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