[发明专利]一种多径通信网络化控制系统的路径调度与控制器协同设计方法

说明书

一种基于多径路由的网络化控制系统的路径调度以及控制器设计方法，包括如下步骤：对网络化控制系统建立状态空间模型,考虑路径切换导致的时变时延模型，建立基于时延的切换系统模型；根据切换子系统模型，设计并通过锥补线性化算法求解子系统的控制增益。给出路径调度方案的设计并计算网络的路径代价值；结合子系统的路径代价值以及控制增益，利用分支定界法对调度方案具体参数进行设计。

技术领域

本发明涉及一种多径通信网络化控制系统的路径调度与控制器协同设计方法。

背景技术

网络化控制系统中传感器，控制器和执行器之间的信息传输往往通过数据通信网络进行，这给网络化控制系统带来了成本低，灵活性高和后期维护简单等优点。但是，不同于传统控制系统中对信息传输无损失的假定，数据通信网络带来了数据包的网络诱导时延，丢包，错序等问题，极大的影响系统性能，甚至造成系统的不稳定，给系统的设计和分析提出了很多新的挑战。如何处理网络诱导时延等问题成为网络化控制系统研究的关键点，受到了广泛的关注。

网络化控制系统中的数据传输大多通过多径路由进行，但现有的研究中多径路由却较少涉及。事实上，多数数据通信网络均为多跳网络，即从源节点到目的节点的数据传输需经过多个中继节点，而通信网络往往采取动态的路由发现机制，这就使得从任一源节点到目的节点的传输路径不唯一，即所谓多径路由。从通信网络角度看，多径路由对网络的负载均衡,路由可靠性等方面有较大帮助。但是，多径路由的存在对网络化控制系统的设计和分析带来了新的机遇和挑战。一方面，可以通过新颖的设计充分利用多径路由的特性以提高网络化控制系统的数据传输效率，另一方面，对多径的调度，分配和优化等也需要新的解决方法。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述问题，提供一种多径通信网络化控制系统的路径调度与控制器协同设计方法。

本发明根据不同路径中时延不同的情况，将其转化为关于时延的切换子系统，并利用切换系统的全局指数稳定得到路径调度所需要满足的条件，从能量路由的角度给出了具体的路径调度方案及控制器设计。本发明利用通信和控制的协同设计办法，通过将多径路由中路径切换所导致的时变时延特性转化为系统模型之间的切换特性，并将系统描述成具有有限个子系统的切换系统模型，提出了一种新的闭环路径调度方案，解决了多径路由网络化控制系统的网络诱导时延的补偿问题，实现了在保证系统稳定前提下通信网络的负载平衡，并提高了网络的利用率。

本发明为解决上述技术问题提供了如下解决方案：设计一种基于多径通信网络化控制系统的路径调度与控制器协同设计方法。其工作原理如下：先对网络化控制系统建立模型，模拟实际网络情况；再将网络环境中的时变时延影响考虑转化为系统模型之间的切换特性；进一步用协同设计的方法进行控制器以及路由调度方案的设计。

本发明是一种基于多径通信网络化控制系统的路径调度与控制器协同设计方法，具体步骤包括：

1)对网络化控制系统建立状态空间模型，考虑路径切换导致的时变时延模型，建立基于时延的切换系统模型；

2)根据切换子系统模型，通过锥补线性化算法求解子系统的控制增益；

3)给出路径调度方案的设计，通过实际网络情况计算网络的路径代价值；

4)结合具体的路径代价值以及计算得到的控制增益设计具体的调度方案。

进一步，步骤1)中，对网络化控制系统建立模型具体包括以下过程：