稻谷效应以及消息大小和错误对网络控制系统的影响

《IEEE Systems Journal》：Rice Grain Effect and Impacts of Message Size and Error on Networked Control Systems

网络化控制系统与多智能体系统中通信与控制交互研究，提出基于快速递送机制的E-Chart成本模型及"稻谷效应"理论，揭示控制消息规模与压缩率对系统开销的影响规律，并定义新稳定性指标。经仿真验证，系统对误码率变化高度敏感，形成控制稳定性受消息大小和通信质量双重制约。

　　

摘要：

近年来，人们越来越关注网络控制系统（NCSs）或多智能体系统（MASs）中通信与控制交互作用的研究。尽管已有大量关于这些交互作用的研究，但大多数研究都过于简化且理想化了。因此，需要更深入、更实际的研究来探讨控制系统中的通信问题。我们的研究旨在探讨通信网络对控制系统的实际影响。我们对NCSs的结构进行了通用开销分析，并设计了一种基于快递服务的成本图表，称为E-Chart，用于表示控制消息的大小。我们发现快递服务中存在一种称为“米粒效应”的现象，即运送一粒米与运送两粒米的成本相同。我们将这一现象应用于控制开销分析和E-Chart中。我们展示了在不同消息大小和压缩比率下的E-Chart结果及开销情况；此外，我们定义了一个新的指标来反映编队控制的稳定性，并通过仿真研究了消息大小和错误对NCSs的影响。特别是，编队控制受到比特错误率和消息大小的双重影响，且系统对比特错误率的变化非常敏感。

引言

计算机网络和通信技术的进步促进了传统控制系统的快速发展，这些系统包括传感器、控制器和执行器[1]。与传统控制系统相比，网络控制系统（NCSs）的特点是通信媒介的增加、计算机网络的引入以及更现代的控制设计[2]、[3]。在NCSs中，传感器、执行器和被控对象通过标准互联网协议在通信网络中形成闭环。与NCSs密切相关的另一个概念是多智能体系统（MASs）。MAS是代理技术的扩展，其中一组连接的自主代理在环境中协同工作以实现共同目标。受生物体策略的启发，MAS的编队控制已成为控制领域广泛研究的课题，并已找到实际应用。