本發(fā)明涉及控制系統(tǒng)及控制方法領(lǐng)域，特別涉及一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、切換系統(tǒng)作為一種重要的特殊的混雜系統(tǒng)，因可描述復(fù)雜的被控對(duì)象研究及可廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，備受工程界和控制理論的重視。一般來(lái)講，切換系統(tǒng)由一組有限數(shù)量的連續(xù)（離散）時(shí)間子系統(tǒng)和決定子系統(tǒng)如何切換的切換策略組成。切換策略也被稱為切換信號(hào)或切換規(guī)則，由一個(gè)分段常數(shù)函數(shù)表示，連續(xù)（離散）時(shí)間子系統(tǒng)一般由微分（差分）方程表示。

2、在過(guò)去的幾十年里，大量研究工作集中于切換系統(tǒng)的研究。切換系統(tǒng)在各種實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力推動(dòng)了這些研究，包括飛行控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和電子電路。值得注意的是，盡管切換系統(tǒng)的各個(gè)方面已得到廣泛的探索，但在通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那袚Q系統(tǒng)研究中仍存在顯著的研究空白，因此對(duì)信息物理切換系統(tǒng)(cyber-physical?switchedsystems，cpsss)的研究仍然是一個(gè)有價(jià)值和緊迫的挑戰(zhàn)。

3、由于通信網(wǎng)絡(luò)的引入，信號(hào)量化問(wèn)題和傳感器節(jié)點(diǎn)碰撞問(wèn)題也隨之而來(lái)。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于數(shù)據(jù)包的字長(zhǎng)有限，信號(hào)通常在傳輸前進(jìn)行量化約束。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，負(fù)責(zé)量化的設(shè)備或者算法稱為量化器。值得注意的是，在現(xiàn)有研究中信號(hào)量化被認(rèn)為是影響cpsss性能的關(guān)鍵因素。此外，通信網(wǎng)絡(luò)中嵌入了多個(gè)分布式傳感器，并且在每個(gè)采樣時(shí)刻僅有一條通信通道被使用。如果不對(duì)這些傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效合理的調(diào)度勢(shì)必會(huì)造成數(shù)據(jù)傳輸擁堵、cpsss性能下降?，F(xiàn)如今大多數(shù)研究集中在利用lyapunov函數(shù)證明網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面，而忽視了如何有效緩解數(shù)據(jù)傳輸擁堵問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制系統(tǒng)及方法，以達(dá)到解決由于通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸擁堵造成的系統(tǒng)性能下降問(wèn)題的目的。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制系統(tǒng)，包括執(zhí)行器、切換系統(tǒng)、傳感器、帶tod協(xié)議和量化器的通信網(wǎng)絡(luò)、觀測(cè)器和控制器；

4、所述執(zhí)行器負(fù)責(zé)處理外部擾動(dòng)和控制器產(chǎn)生的控制輸入；

5、所述切換系統(tǒng)由多個(gè)切換系統(tǒng)模態(tài)與對(duì)應(yīng)的切換信號(hào)組成；

6、所述傳感器有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理切換系統(tǒng)的測(cè)量輸出；

7、所述帶tod協(xié)議和量化器的通信網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度和對(duì)測(cè)量輸出進(jìn)行量化，保證系統(tǒng)不會(huì)由于數(shù)據(jù)傳輸擁堵造成性能下降；

8、所述觀測(cè)器用于根據(jù)量化后的測(cè)量輸出，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并根據(jù)切換信號(hào)將對(duì)應(yīng)的狀態(tài)估計(jì)值發(fā)送給控制器；

9、所述控制器用于根據(jù)狀態(tài)估計(jì)值產(chǎn)生控制輸入，對(duì)切換系統(tǒng)進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)沒(méi)有大幅度的抖振振幅。

10、一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制方法，采用如上所述控制系統(tǒng)，包括如下步驟：

11、步驟1：外部擾動(dòng)經(jīng)過(guò)執(zhí)行器后進(jìn)入切換系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集切換系統(tǒng)的測(cè)量輸出，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞躷od協(xié)議約束的通信網(wǎng)絡(luò)中；

12、步驟2：在通信網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)測(cè)量輸出進(jìn)行量化約束，并對(duì)量化約束后的結(jié)果進(jìn)行tod協(xié)議調(diào)度，得到經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)后的測(cè)量輸出，并傳輸給觀測(cè)器；

13、步驟3：觀測(cè)器基于經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)后的測(cè)量輸出，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并根據(jù)切換信號(hào)將對(duì)應(yīng)的狀態(tài)估計(jì)值發(fā)送給控制器；

14、步驟4，控制器求解出觀測(cè)器增益，控制器增益和平均駐留時(shí)間，然后產(chǎn)生控制輸入對(duì)切換系統(tǒng)進(jìn)行控制。

15、上述方案中，步驟1中，外部擾動(dòng)經(jīng)過(guò)執(zhí)行器后進(jìn)入切換系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集切換系統(tǒng)的測(cè)量輸出，得到切換系統(tǒng)的模型如下：

16、；

17、其中，代表時(shí)間序列，代表系統(tǒng)狀態(tài)，代表控制輸入，代表進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)之前的測(cè)量輸出，代表系統(tǒng)輸出，代表外部擾動(dòng)，代表非線性函數(shù)；是一個(gè)分段連續(xù)函數(shù)，稱為切換信號(hào)，其值屬于一個(gè)有限集合，是子系統(tǒng)的數(shù)量；當(dāng)，，意味著第個(gè)子系統(tǒng)被激活，，分別代表第個(gè)切換點(diǎn)和第個(gè)切換點(diǎn)；，，，，，和是系統(tǒng)矩陣。

18、上述方案中，步驟2中，由于通信網(wǎng)絡(luò)中傳感器有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)技術(shù)分析，系統(tǒng)測(cè)量輸出表示如下：

19、；

20、其中，代表進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)前第個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值，為傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，；

21、經(jīng)過(guò)量化約束后的測(cè)量輸出為：

22、；

23、其中，表示對(duì)測(cè)量輸出進(jìn)行量化約束，代表量化級(jí)別，代表測(cè)量輸出的第個(gè)元素，函數(shù)代表將數(shù)字四舍五入到最接近的整數(shù)；

24、定義量化誤差為。

25、上述方案中，步驟2中，基于對(duì)測(cè)量輸出量化約束后的結(jié)果，引入tod協(xié)議對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，首先定義為在時(shí)刻被允許接入通信網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)過(guò)tod協(xié)議調(diào)度后，被表示為：

26、；

27、其中，代表進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)前第個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值，表示經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)后傳感器節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻的測(cè)量值，表示第個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的權(quán)重矩陣；

28、定義和，可改寫(xiě)為：

29、；

30、其中，表示進(jìn)入通信網(wǎng)絡(luò)前傳感器節(jié)點(diǎn)的測(cè)量值，表示經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)后傳感器節(jié)點(diǎn)在時(shí)刻的測(cè)量值，表示傳感器節(jié)點(diǎn)的權(quán)重矩陣，以及為克羅內(nèi)克積函數(shù)，代表單位矩陣；

31、經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)中的量化約束和tod協(xié)議調(diào)度后，得到經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)后的測(cè)量輸出：

32、；

33、其中，為克羅內(nèi)克積函數(shù)。

34、上述方案中，步驟3中，狀態(tài)估計(jì)值表示如下：

35、；

36、其中，代表系統(tǒng)狀態(tài)在時(shí)刻的估計(jì)值，?代表非線性函數(shù)，?、、、是系統(tǒng)矩陣；代表經(jīng)過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)后的測(cè)量輸出；和為觀測(cè)器增益矩陣。

37、上述方案中，步驟4中，控制輸入如下：

38、；

39、其中，代表在時(shí)刻的控制輸入，為控制器增益矩陣。

40、通過(guò)上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制系統(tǒng)及方法具有如下有益效果：

41、本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種在try-once-discard?protocol（tod）協(xié)議和量化效應(yīng)約束下的信息物理切換系統(tǒng)控制方法。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于數(shù)據(jù)包的字長(zhǎng)有限，信號(hào)通常在傳輸前進(jìn)行量化約束，經(jīng)量化約束處理后還需使用tod協(xié)議對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有效調(diào)度。tod協(xié)議通過(guò)使用argmax函數(shù)選擇原則對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，tod協(xié)議規(guī)定在每個(gè)時(shí)刻僅有一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以接入通信網(wǎng)絡(luò)，這將有效緩解由于傳感器節(jié)點(diǎn)碰撞引起數(shù)據(jù)傳輸擁堵造成的系統(tǒng)性能下降。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了本發(fā)明所提出方法的優(yōu)越性和有效性。

技術(shù)特征：

1.一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括執(zhí)行器、切換系統(tǒng)、傳感器、帶tod協(xié)議和量化器的通信網(wǎng)絡(luò)、觀測(cè)器和控制器；

2.一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制方法，采用如權(quán)利要求1所述控制系統(tǒng)，其特征在于，包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制方法，其特征在于，步驟1中，外部擾動(dòng)經(jīng)過(guò)執(zhí)行器后進(jìn)入切換系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集切換系統(tǒng)的測(cè)量輸出，得到切換系統(tǒng)的模型如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制方法，其特征在于，步驟2中，由于通信網(wǎng)絡(luò)中傳感器有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)技術(shù)分析，系統(tǒng)測(cè)量輸出表示如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制方法，其特征在于，步驟2中，基于對(duì)測(cè)量輸出量化約束后的結(jié)果，引入tod協(xié)議對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度，首先定義為在時(shí)刻被允許接入通信網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)過(guò)tod協(xié)議調(diào)度后，被表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制方法，其特征在于，步驟3中，狀態(tài)估計(jì)值表示如下：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于tod協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制方法，其特征在于，步驟4中，控制輸入如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及控制領(lǐng)域，公開(kāi)了一種基于TOD協(xié)議和量化約束的切換系統(tǒng)控制系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括執(zhí)行器、切換系統(tǒng)、傳感器、帶TOD協(xié)議和量化器的通信網(wǎng)絡(luò)、觀測(cè)器和控制器；傳感器有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)處理切換系統(tǒng)的測(cè)量輸出；帶TOD協(xié)議和量化器的通信網(wǎng)絡(luò)用于對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)度和對(duì)測(cè)量輸出進(jìn)行量化；觀測(cè)器用于根據(jù)量化后的測(cè)量輸出，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，并根據(jù)切換信號(hào)將對(duì)應(yīng)的狀態(tài)估計(jì)值發(fā)送給控制器；控制器用于根據(jù)狀態(tài)估計(jì)值產(chǎn)生控制輸入，對(duì)切換系統(tǒng)進(jìn)行控制，保證系統(tǒng)沒(méi)有大幅度的抖振振幅。本發(fā)明所公開(kāi)的系統(tǒng)及方法能夠解決由于通信網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸擁堵造成系統(tǒng)性能下降的問(wèn)題。

技術(shù)研發(fā)人員：王瑞華,張佳磊,范心如,王帥,李玉漣
受保護(hù)的技術(shù)使用者：青島理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19