[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有效

专利信息
申请号: 201811424658.X 申请日: 2018-11-27
公开(公告)号: CN109327818B 公开(公告)日: 2021-06-08
发明(设计)人: 赵云波;何江涛;唐敏;倪洪杰;余世明 申请(专利权)人: 浙江工业大学
主分类号: H04W4/38 分类号: H04W4/38;H04W4/70;H04W28/06
代理公司: 杭州天正专利事务所有限公司 33201 代理人: 王兵;黄美娟
地址: 310014 浙*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 一种 基于 ieee 802.15 协议 无线 网络化 控制系统 调度 算法
【说明书】:

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ki+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。

技术领域

本发明涉及无线网络化控制系统领域,具体涉及对基IEEE 802.15.4协议的无线网络化控制系统的整体性能进行优化的控制与网络调度算法。

背景技术

随着无线通信技术的发展,愈来愈多的无线通信网络被用于控制系统的数据传输,并形成了无线网络化控制系统的研究主题。当下基于无线网络化控制系统的应用包括了智能家居,智能交通和智慧农业等。放眼未来,下一代的智能系统,比如物联网,信息物理融合系统等都依赖无线通信来连接各个组件,因此对无线网络化控制系统的研究显得尤为重要。然而,作为控制与无线通信的交叉领域,加强对无线网络化控制系统的应用不仅要求在控制器设计上有所创新,更要求对不同无线网络的传输特性有较深入的了解,因此受到了世界各地研究者的重视。

因其低成本低功耗等显著特点,基于IEEE 802.15.4协议的无线网络化控制系统得到了特别的研究。在物联网领域得到广泛应用的Zigbee协议以及在工业自动化领域被广泛应用的ISA100.11和WirelessHART协议都以IEEE 802.15.4协议为基础。然而为了简化控制与通信的联合设计,现有的技术大多只适用于IEEE 802.15.4无线网络为私有的情况,即所有的通信资源都为控制系统所用,使得无线通信网络相较于传统有线网络的易部署、易组网、高灵活性等突出优势没有得到发挥,即无法将无线网络作为共享网络允许不同用户的加入和离开。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点,提供一种基于IEEE 802.15.4协议的无线网络化控制系统的调度算法。

本发明针对的对象是一类基于IEEE 802.15.4协议的无线网络化控制系统。具体来讲,其控制系统部分由离散线性时不变模型来描述,其无线通信部分是一种基于IEEE802.15.4协议实现的无线通信网络。该无线网络为星型拓扑结构且工作在信标使能模式下。在星型拓扑结构中,无线通信直接在外围设备和一个中心协调器间建立和完成,也就是只存在单跳传输。在信标使能模式下,中心协调器会周期性地向外围设备发送信标帧以同步整个网络,与此同时,控制系统的时间同步也得以实现。在每个信标间隔中,允许传输数据的那一部分被称为超帧,超帧又被分为竞争接入时段(contention access period,CAP)和非竞争接入时段(contention free period,CFP)。在CAP期间,外围设备按照CSMA/CA机制接入无线信道,而在CFP期间传输的设备会被分配GTS(guaranteed time slot),来保证可靠的传输服务。然而在实际应用中,由于电磁干扰和信标丢失等极端情况,GTS仍然存在传输失败的可能。本发明的设计不考虑这些极端情况,即假设在CFP期间的传输完全可靠。

本发明克服了现有技术只适用于私有网络的缺点,考虑基于IEEE 802.15.4协议的无线通信网络为共享网络,即除了控制系统外,还有其它的用户在使用该无线网络。因此就引出了如何权衡控制系统性能和通信资源利用的问题(控制系统占用的资源越少对其他用户越有利)。其中控制性能包括优化控制轨迹和延长传感器寿命两个方面(IEEE802.15.4无线网络中的设备通常由电池供电);另一方面,通信资源的利用主要指对GTS的利用,因为使用GTS最损无线网络资源分配的公平性。综上所述,本发明针对以下问题提供一种可行的解决方案:

找出一种控制策略,使得经由IEEE 802.15.4无线共享网络传输数据的控制系统在维持满意的控制性能前提下,尽可能地降低它对GTS的使用量。

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