许德衡

个人信息

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

网络化控制系统中，丢包是影响系统性能的主要因素之一。针对丢包，传统的解决方法是在假设已知网络通信特性的前提下对其建模。但是这个处理方法忽略了网络的不确定性，关于网络丢包率确定的假设不具有普遍性。在更加一般的网络环境中，网络存在不确定性，丢包率的估计往往不精确。另外由于网络化控制系统使用的一般都是共享网络，所以网络的通信特性往往都是会变化的。在这种假设下去设计控制器会在一定程度上限控制系统的控制性能。鉴于以上所说的两种情况，本人研究的课题旨在考虑更加一般的，存在丢包率变化场景下的网络，并设计一种动态最优控制器以优化系统性能。

学术成果

共撰写/参与撰写专利 1 项，录用/发表论文 1 篇，投出待录用论文0篇。

patent

1. 一种基于贝叶斯推断的动态数据包打包方法 赵云波, 许德衡, and 唐敏 2022 [Abs] [pdf]

   本发明涉及一种基于贝叶斯推断的动态数据包打包方法，本发明针对使用共享网络进行通信的网络化控制系统中实时优化网络资源使用的问题，解决了网络化控制系统中优化网络资源是无法得到实际网络时延特征的问题。首先，对网络时延进行建模，并对其分布模型中的参数选取先验分布。其次，利用控制系统自身收集的最近历史时延数据，根据贝叶斯推断理论设计了模型的在线学习方法，得到了参数的后验分布。然后，分别从参数的后验分布中采样得到实时的参数值并带入更新时延分布模型。最后，从实时的时延分布模型中计算得到时延上界估计值，并依此来指导控制系统来设计数据包的长度，达到实时优化网络资源使用的目标。

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.

学位论文

Theses

1. 基于通信特征学习的网络化控制系统设计 许德衡 浙江工业大学, 杭州 2020 [Abs] [pdf]

   网络化控制系统是指 通过数字通信网络将分布在不同地理位置的传感器、控 制器和执行机构连接而形成的闭环控制系统。与传统控制 系统相比，网络化控制 系统由于网络带来了低成本、易维护和远程控制等优点，已经广泛应用于智能家 居、远程医疗、智能交通和工业自动化等领域。然而，数字通信网络 的非实时性 挑战了控制系统的实时性要求，对存在丢包、时延等通信约束的网络化控制系统 的设计和分析引起了广大学者的关注。 在以往的研究当中，无论是基于传统的控制算法来应对通信约束的 研究还是 通信与控制联合设计方法的研究，大多需要知道网络通信特征。对此通常 做法是 直接假设网络通信特征已知。但在一些网络环境复杂、通信特征易变化的 场景， 系统运行时实际的通信特征也是容易发生变化 的，且变化规律未知。所以在给定 丢包率或者时延值基础上设计的控制器往往不能满足控制系统实时性要求，甚至 由于网络状态的变化导致系统性能恶化甚至失稳。 本文研究了网络化控制系统中动态变化的网络通信特征，并在此基础上提出 了相应的最优控制策略和动态数据包打包方案的设计与分析。具体工作总结如下： （1）针对网络化控制系统中网络丢包特征存在动态变化的问题，提出了一种 丢包特征学习算法，并根据学习结果设计了最优控制器 ，解决了传统最优控制器 设计时需要事先假设丢包率已知的问题。首先 ，针对网络化控制系统中通信网络 存在的丢包问题建立初始伯努利模型，基于贝叶斯推断提出了一种学习当前网络 丢包模型的方法。然后，通过最新的丢包模型实时地估计网络的丢包率。继而， 根据实时的丢包率估计值进行最优控制器设计。最后，通过 MATLAB 数值仿真证 明本文基于丢包率特征学习的最优控制器在改善传统最优控制器系统性能改善方 面的有效性。 （2）针对共享网络下的网络化控制系统中网络时延特征存在动态变化的问 题，提出了一种时延特征学习算法，并根据学习结果设计了动态打包方 案，解决 了共享网络环境下控制系统消耗太多网络资源的问题。 首先，针对网络化控制系 统中存在丢包时延等问题进行了通信约束建 模，并基于第二章中介绍到的贝叶斯 推断方法提出了一种利用近期时延数据的模型学习、更新方案。然后，设计了一 种根据实时的通信特征模型的时延估计方法。继而考虑基于包的控制框架中网络资源有效利用的问题，利于对网络时延的实时估计设计出一种动态打包方案。最 后，通过 MATLAB 数值仿真来验证该方案在节约网络资源方面的有效性。

毕业去向

江西移动上饶分公司， 技术