[发明专利]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

权利要求书

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，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：计算控制增益序列K；

假设控制系统模型如下：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k) (1)

其中A∈R^n×n和B∈R^n×m是系统矩阵，x(k)∈Rⁿ代表系统状态，u(k)∈R^m代表控制输入；根据该模型，计算滚动时域控制增益

其中N_p是预测时域，τ_sc,k是给定的时延，的不为零子块为且j-i≤τ_sc,k,1≤i≤N_p,1≤j≤τ_sc,k+N_u，N_u为控制时域，Q和R分别是n×N_p阶和τ_sc,k+N_u阶方块矩阵，为了方便计算设为单位矩阵；将时域控制增益可以写成多个子块，即取出其中的子块，并令τ_sc,k分别为1,2,…,N得到控制增益序列如下：

其中N是控制增益的数量；

步骤2：计算更新截止时刻k_i+1；

为了维持一个满意的控制轨迹，网络调度器必须适时地更新增益调度器中的采样数据，以便增益调度器能够利用较新的采样来生成控制输入；增益调度器必须在更新截止期前包括更新截止期更新采样数据；将步骤1中的控制增益序列与传统的离散自触采样相结合，得到了保守性更低的自触发采样策略；基于采样x(k_i-1)和历史控制输入u(k_i-1)，其中k_i是上个截止时刻，网络调度器根据下列式子计算更新截止时刻：

其中

步骤3：制定请求采样协议；

在步骤2中，网络调度器得到了下一个更新截止时刻k_i+1；由于前向、反馈通道的传输在同一个超帧的两个GTS中完成的双GTS传输的网络诱导时延为1，因此，传感器的采样截止时刻为k_i+1-1；为了将采样请求通知给传感器，制定请求采样协议如下：

具体操作是将信标帧有效负荷字段中的一位设定为标志位，网络调度器通过操作标志位来发送请求；如果要求传感器每次刚好在截止时刻采样，那么网络调度器根据规则来操作标志位，其中

σ(k)表示在k时刻标志位的状态，当传感器识别的状态为1时，表示需要采样，否则就不需要采样；

步骤4：设计双GTS网络调度算法；

4.1)初始化；令k＝0，k₁＝1且u(0)＝0；传感器通过GTS发送x(0)；

4.2)网络调度器接收x(k_i-1)并将其转发给增益调度器，根据公式(4)计算k_i+1，根据规则操作标志位；

4.3)增益调度器接收x(k_i-1)并分别计算[k_i,k_i+1)时段的控制输入，即使得

4.4)传感器在k_i+1-1时刻采样并通过GTS发送给网络调度器；i←i+1，进入步骤4.2；

步骤5：设计混合网络调度算法；

该算法提前采样截止时刻k_j-1两步时域又称CAP时域开始采样并且在CAP时域中的采样均通过CAP传输；根据CAP时域中的传输情况，控制系统最终由四种传输模式形成闭环：CAP-CAP,CAP-GTS-2,CAP-GTS-1和双GTS；不同传输模式下的更新截止时刻的计算公式分别如下，

双GTS：公式(4)将其中的i换成j；

CAP-GTS-1：

CAP-CAP：

CAP-GTS-2：

混合网络调度算法具体步骤如下：

5.1)初始化；令k＝0，k₁＝1，u(0)给定并且x(0)通过双GTS传输；在双GTS传输期间，网络调度器接收x(0)并根据公式(4)计算k₂和g₁＝k₂-k₁；

5.2)如果g_j-1＝1，进入步骤5.3；如果g_j-1＝2，进入步骤5.4；如果g_j-1≥3，进入步骤5.5；

5.3)网络调度器根据设置标记位；x(k_j-1)通过双GTS传输；网络调度器接收x(k_j-1)并根据公式(4)计算k_j+1和g_j＝k_j+1-k_j；进入步骤5.6；

5.4)网络调度器根据设置标记位；传感器通过CAP发送x(k_j-2)，如果发送成功，网络调度器根据公式(6)计算k_j+1和g_j＝k_j+1-k_j，并且g_j0，网络调度器通过GTS发送x(k_j-2)并进入步骤5.6；否则，进入步骤5.3；

5.5)网络调度器根据设置标记位；传感器通过CAP发送x(k_j-3)，如果发送失败，进入步骤5.4；否则，网络调度器根据公式(7)计算k_j+1和g_j＝k_j+1-(k_j-1)；如果g_j＝0，进入步骤5.4；否则网络调度器通过CAP发送x(k_j-3)，如果发送成功，进入步骤5.6；否则网络调度器根据公式(8)计算k_j+1和g_j＝k_j+1-k_j，如果g_j0，网络调度器通过GTS发送x(k_j-3)并进入步骤5.6；否则进入步骤5.3；

5.6)增益调度器接收采样并给执行器生成控制输入，即使得

直到新的采样到来；j←j+1，进入步骤5.2。