[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

摘要

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。

主权项

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∈Rn×n和B∈Rn×m是系统矩阵，x(k)∈Rn代表系统状态，u(k)∈Rm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，为了方便计算一般设为单位矩阵；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得到本发明需要的控制增益序列如下：其中N是控制增益的数量；步骤2：计算更新截止期限ki+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(ki‑1)和历史控制输入u(ki‑1)(ki是上个截止期限)，网络调度器根据下列式子计算更新截止期限：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期限ki+1；由于双GTS传输(前向、反馈通道的传输在同一个超帧的两个GTS中完成)的网络诱导时延为1，因此，传感器的采样截止期限为ki+1‑1；为了将采样请求通知给传感器，本发明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期限采样，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(ki‑1)并分别计算[ki,ki+1)时段的控制输入，即使得4.4)传感器在ki+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期限kj‑1两步时域(称作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期限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gj‑1＝1，进入步骤5.3；如果gj‑1＝2，进入步骤5.4；如果gj‑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_jk_j+1‑k_j)并且g_j＞0，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_j＞0，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。