[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于包括如下步骤：步骤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；对网络化控制系统建立模型具体包括以下过程：考虑多径路由网络化控制系统；从传感器到控制器和从控制器到执行器分别存在N1和N2条可选路径,每条可选路径都可能包含多个中继节点；传感器选择N1条路径中的一条将采样数据和所选择的路径信息打包发送到控制器，控制器同样选择一条路径将控制信息发送到执行器；即在受控对象的采样信息从传感器出发经由控制器,控制器再将对应控制信息发送到执行器的过程中存在N＝N1N2条闭环通信路径；假设时延主要依赖于闭环通信路径所经过中继节点的数量,并将其近似设为固定的,记第i条闭环通信路径为pi,并记其时延为τi,则0<τi令(A*+B*K(τi)C(τi))＝φi,其闭环特性表示为:X(k+1)＝φiX(k)    (5)步骤2)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；首先通过求解式(6)得到子系统控制增益，由于式(6)是一个非线性矩阵不等式，无法采用常规的方法处理，因此我们采用锥补线性化思想，增加了式(7)，通过求解式(7)的方式求解式(6)，并利用MATLAB中的LMI工具箱计算各个子系统的控制增益。t2:λj>0minmize Tr(PjQ0+P0Qj)通过锥补线性化算法，利用MATLAB中的LMI工具箱计算各个子系统的控制增益，上式中Pj为正定矩阵，并用Kj，Cj表示式(4)中的K(τj),C(τj)，λj为常数，考虑式(6),式(7)，具体步骤如下所示：步骤21：选择合适的初始λj使得式(7)的约束条件s1,s2成立，并得到初始解Pj,Qj，令P0＝Pj,Q0＝Qj；步骤22：将P0和Q0代入式(7)，通过LMI工具箱得到新的解Pj，Qj，Kj；步骤23：验证步骤22中的Pj，Kj是否满足式(6)约束条件t1，若满足，跳到下一步，否则令P0＝Pj,Q0＝Qj，回到步骤22；步骤24：根据步骤23中更新的Pj，Kj，求解式(6)，得到Pj，Kj，λj；步骤25：同理求解所有的Pj，Kj，λj，j＝1,2,3…N；即通过上述步骤得到各个子系统的控制增益Kj；步骤3)给出路径调度方案的设计并计算网络的路径代价值；步骤3)中各个路径的代价值计算以及具体路径调度方案的设计包括以下过程：对闭环通信路径的使用方式，采用一种周期性调度方案，即路径的调度仅在某给定的有限周期T内考虑，但允许调度方案的在线调整；给定周期T，周期性调度方案需设计在此周期内N条闭环通信路径的使用顺序和相应的连续使用次数，选用的周期内路径调度顺序按照上个步骤中子系统的衰减率λj由小到大的顺序排列，其中在周期内每条闭环通信路径最多使用一次(否则归为下一个周期调度)；闭环路径在第i个周期的调度方案可如下表示：其中表示第i个周期内第j次选择的闭环通信路径，{i₁，i₂,…，i_N}是1，2，…N的排列，是周期内的连续使用次数，当对网络环境中路径的代价值进行计算时，忽略周期内代价值的变化，第i个周期单条路径的代价值计算方法如下所示：其中表示路径在i周期内的能量代价函数,表示路径节点的数量，表示路径中节点t在此周期内的剩余能量值，e表示两个节点之间进行通信的能量消耗，λ^*为权衡通信能耗以及节点剩余能量之间的比重的平滑参数；对于多径路由通信网络，其代价函数为各条路径的代价值的和；由式(8)可知，第i个周期的代价函数为步骤4)结合子系统的路径代价值以及控制增益计算具体的调度方案；步骤4)中具体的调度方案设计包括以下过程：周期i中各个子系统路径的使用次数可由如下不等式求得为正整数其中λ为小于1的常数，具体使用次数的求解通过分支定界法进行求解，步骤如下：步骤41：先求解式(10)对应的松弛问题式(11),用图解法得到最优解xj,j＝1,2,…,N步骤42：针对若解为整数，不需要进行处理，否则考虑式(11)，分别添加两个约束条件，比较其中更优的目标值并保留较优的约束条件在式(11)中，同上，继续分支处理步骤43:重复步骤42，直到所有的解为整数。