專利名稱：一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制器設計技術，特別是涉及一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法。
背景技術：
網(wǎng)絡控制系統(tǒng)能實現(xiàn)信息資源共享，遠程操作，并具有操作簡便、易于安裝和維護、低費用等優(yōu)點，迎合了工業(yè)、醫(yī)療和交通等領域?qū)崿F(xiàn)低成本、節(jié)能、高效和智能化發(fā)展的迫切需要，被迅速應用到復雜的工業(yè)控制、遠程醫(yī)療、智能交通等領域。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)以其深遠的學術價值和廣泛的應用前景，已經(jīng)引起國內(nèi)外學者的極度關注，成為國內(nèi)外控制界研究的熱點?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡化應用領域的特點對可靠性、實時性和節(jié)能性等通信質(zhì)量提出了更加嚴格的要求?？煽啃苑矫妫瑧妙I域現(xiàn)場環(huán)境的復雜性，噪聲、干擾存在的不可避免性，使得利用稀缺的信道資源實現(xiàn)可靠通信成為急需解決的難題；實時性方面，應用領域?qū)崟r性的要求非常嚴格，微小的延遲都會造成重大事故。具有硬實時保證的通信是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化應用的基本要求；節(jié)能性方面，低能耗是保證設備長期運行、降低維護成本的關鍵，也是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化應用的又一要求，特別是對電源更換困難的設備而言。網(wǎng)絡的介入，不可避免地存在數(shù)據(jù)包錯序現(xiàn)象，數(shù)據(jù)包錯序已經(jīng)是現(xiàn)代工業(yè)、遠程醫(yī)療、商業(yè)等領域網(wǎng)絡化應用中一個普遍存在的客觀現(xiàn)象。數(shù)據(jù)包錯序是指數(shù)據(jù)包提前或遲于到達接收端，也有部分文獻僅將遲于到達接收端的數(shù)據(jù)包作為錯序包。網(wǎng)絡控制系統(tǒng)作為一個包括網(wǎng)絡與控制的整體，其性能既包括網(wǎng)絡性能又包括控制性能。錯序影響網(wǎng)絡性能(帶寬、傳輸率、吞吐量和時延等)和控制性能(超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、相位裕度和跟蹤誤差等)。為滿足應用領域現(xiàn)代化、網(wǎng)絡化、智能化高速發(fā)展的需求，大量的信息流和高度的鏈路平行性，尤其是無線自組織網(wǎng)絡(Ad Hoc)的應用，使錯序呈現(xiàn)日益嚴重的趨勢。鑒于錯序?qū)W(wǎng)絡控制系統(tǒng)整體性能的影響，為保證可靠、實時的網(wǎng)絡通信，降低能耗，獲得較高的控制性能指標，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)有必要采用先進的控制技術，消除錯序?qū)ο到y(tǒng)性能的影響。而目前，能夠同時滿足上述可靠性、實時性以及節(jié)能性三方面要求的基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，尚未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法， 即，提供一種可靠、實時、靈活、節(jié)能的、基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的
一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，該方法包括基于實時統(tǒng)計分析的錯序認知方法；
基于錯序認知的采樣率自適應算法；采樣率和被控對象聯(lián)合控制的控制器設計； 面向網(wǎng)絡的閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模； 面向網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化；
其集成控制器包括三個模塊認知模塊，實現(xiàn)錯序感知、識別和分析；計算模塊，計算錯序度量值，設計采樣率自適應算法，計算聯(lián)合控制采樣率和被控對象的控制行為；監(jiān)管模塊，監(jiān)督系統(tǒng)性能指標變化，調(diào)整控制器參數(shù)；
其錯序認知過程包括錯序感知、錯序分析和錯序決策；
其采樣率自適應算法以錯序認知為基本依據(jù)，根據(jù)采樣率與錯序熵統(tǒng)計信息之間的復雜耦合關系，構(gòu)建采樣率狀態(tài)方程。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其所述的錯序感知，通過采用數(shù)據(jù)包的期望到達序列數(shù)與接收索引(接收端分配)比較法實現(xiàn)錯序的實時感知和識別；錯序分析，基于熵的統(tǒng)計學意義，估計最大時延界 D1，確定錯序閾值’，采用直
方圖方法計算錯序密度，獲得錯序熵み=(-的統(tǒng)計規(guī)律，其中，
BDW表示偏移值為^的數(shù)據(jù)包的錯序密度]カ非負整數(shù)，表示錯序閾值；錯序決策基于錯序熵，采用迭代算法，建立采樣周期的狀態(tài)方程。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其所述的基于錯序認知的采樣率自適應算法具體步驟如下
基于錯序熵越接近0越有序，越大越無序的原理及其統(tǒng)計規(guī)律，應用回歸分析方法，研究采樣率與錯序熵之間的復雜關系；
根據(jù)采樣率關于錯序熵的擬合曲線，選用適當步長和限制調(diào)控量因子； 基于,采用迭代算法，建立采樣周期的狀態(tài)方程，其中，‘(ft=0,l,L)表示第λ次
采樣時刻，EM表示時刻的錯序熵。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其考慮克服網(wǎng)絡不利因素(錯序、時延和丟包)的自身控制器設計的同時，實現(xiàn)采樣率和被控對象一體化控制。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其采用拋棄晚到包策略，基于泰勒級數(shù)展開公式，處理時變采樣周期，建模系統(tǒng)為具有多面體不確定項的離散系統(tǒng)；綜合上述系統(tǒng)與采樣周期狀態(tài)方程，構(gòu)建增廣系統(tǒng)模型；設計反饋控制輸入，令
其中，Uif(A)為被控對象控制序列，み(勾為采樣周期控制序列。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其網(wǎng)絡的閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模方法為針對網(wǎng)絡傳輸時延和數(shù)據(jù)包丟失有界的網(wǎng)絡，基于拋棄晚到包策略，根據(jù)數(shù)據(jù)包的偏移值，建立最新信號與偏移值之間的映射關系，獲得執(zhí)行最新信號的控制輸入序列；由干，基于錯序熵的統(tǒng)計信息，采用區(qū)間W + 1)]有限劃分和凸組合方法，構(gòu)建具有多面體不確定項的閉環(huán)切換系統(tǒng)模型。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其面向網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化研究中，設計部分模型依賴自適應控制器，克服固定控制器參數(shù)具有的保守性，以及完全依賴模型自適應調(diào)整控制器參數(shù)的計算復雜性和増加的網(wǎng)絡負載。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其設計應用系統(tǒng)性能和能量消耗權(quán)值比重，構(gòu)建關于上述兩種性能指標的具有權(quán)值的多目標效用函數(shù)；采用分段Lyapimov函數(shù)，利用平均處理時間技木、S-程序和線性矩陣不等式技木，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能優(yōu)化，獲得控制器設計方案。所述的ー種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其選用調(diào)節(jié)因子，構(gòu)建部分模型依賴自適應控制器
權(quán)利要求
1.一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，該方法包括 基于實時統(tǒng)計分析的錯序認知方法；基于錯序認知的采樣率自適應算法； 采樣率和被控對象聯(lián)合控制的控制器設計； 面向網(wǎng)絡的閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模； 面向網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化；其集成控制器包括三個模塊認知模塊，實現(xiàn)錯序感知、識別和分析；計算模塊，計算錯序度量值，設計采樣率自適應算法，計算聯(lián)合控制采樣率和被控對象的控制行為；監(jiān)管模塊，監(jiān)督系統(tǒng)性能指標變化，調(diào)整控制器參數(shù)；其錯序認知過程包括錯序感知、錯序分析和錯序決策；其采樣率自適應算法以錯序認知為基本依據(jù)，根據(jù)采樣率與錯序熵統(tǒng)計信息之間的復雜耦合關系，構(gòu)建采樣率狀態(tài)方程。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，所述的錯序感知，通過采用數(shù)據(jù)包的期望到達序列數(shù)與接收索引(接收端分配)比較法實現(xiàn)錯序的實時感知和識別；錯序分析，基于熵的統(tǒng)計學意義，估計最大時延界戰(zhàn)，確定錯序閾值T，采用直方圖方法計算錯序密度，獲得錯序熵
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，所述的基于錯序認知的采樣率自適應算法具體步驟如下基于錯序熵越接近0越有序，越大越無序的原理及其統(tǒng)計規(guī)律，應用回歸分析方法，研究采樣率與錯序熵之間的復雜關系；根據(jù)采樣率關于錯序熵的擬合曲線，選用適當步長和限制調(diào)控量因子；基于思⑷^),采用迭代算法，建立采樣周期的狀態(tài)方程，其中，
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，考慮克服網(wǎng)絡不利因素(錯序、時延和丟包)的自身控制器設計的同時，實現(xiàn)采樣率和被控對象一體化控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，采用拋棄晚到包策略，基于泰勒級數(shù)展開公式，處理時變采樣周期，建模系統(tǒng)為具有多面體不確定項的離散系統(tǒng)；綜合上述系統(tǒng)與采樣周期狀態(tài)方程，構(gòu)建增廣系統(tǒng)模型； 設計反饋控制輸入，令
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法， 其特征在于，網(wǎng)絡的閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模方法為針對網(wǎng)絡傳輸時延和數(shù)據(jù)包丟失有界的網(wǎng)絡，基于拋棄晚到包策略，根據(jù)數(shù)據(jù)包的偏移值，建立最新信號與偏移值之間的映射關系，獲得執(zhí)行最新信號的控制輸入序列；由于，基于錯序熵的統(tǒng)計信息，采用區(qū)間+ 有限劃分和凸組合方法，構(gòu)建具有多面體不確定項的閉環(huán)切換系統(tǒng)模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，面向網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化研究中，設計部分模型依賴自適應控制器，克服固定控制器參數(shù)具有的保守性，以及完全依賴模型自適應調(diào)整控制器參數(shù)的計算復雜性和增加的網(wǎng)絡負載。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，設計應用系統(tǒng)性能和能量消耗權(quán)值比重，構(gòu)建關于上述兩種性能指標的具有權(quán)值的多目標效用函數(shù)；采用分段Lyapimov函數(shù)，利用平均處理時間技術、S-程序和線性矩陣不等式技術，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能優(yōu)化，獲得控制器設計方案。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，其特征在于，選用調(diào)節(jié)因子，構(gòu)建部分模型依賴自適應控制器
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法， 其特征在于，集成控制器中監(jiān)管模塊，根據(jù)二次性能指標及網(wǎng)絡QoS，自適應調(diào)節(jié)控制器調(diào)節(jié)因子和A ；如果性能良好，采用固定控制器參數(shù)；否則，采用模型依賴的控制器參數(shù)。
全文摘要
一種基于錯序認知的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)集成控制器設計方法，涉及網(wǎng)絡控制系統(tǒng)控制器設計技術，包括以下步驟基于實時統(tǒng)計分析的錯序認知方法；基于錯序認知的采樣率自適應算法；采樣率和被控對象聯(lián)合控制的控制器設計；面向網(wǎng)絡的閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)建模；面向網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化。本發(fā)明以錯序認知為基本依據(jù)、以集成控制為基本模式、以設計控制律自適應控制采樣周期和被控對象為基本手段，以獲得集成控制器設計關鍵技術為目標，不僅為解決網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的錯序問題提供新的控制方法，為網(wǎng)絡和控制一體化設計提供技術支持，而且對于實現(xiàn)高可靠、硬實時網(wǎng)絡通信，提高應用系統(tǒng)性能，降低能耗，具有重要的實際意義。
文檔編號G05B13/04GK102566428SQ20121000451
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者李金娜, 袁德成 申請人:沈陽化工大學