一种基于IEEE802.15.4协议的无线网络化控制系统的调度算法的制作方法

本发明涉及无线网络化控制系统领域，具体涉及对基ieee802.15.4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ieee802.15.4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ieee802.15.4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ieee802.15.4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。

技术实现要素：

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种基于ieee802.15.4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ieee802.15.4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(contentionaccessperiod,cap)和非竞争接入时段(contentionfreeperiod,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(guaranteedtimeslot)，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ieee802.15.4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ieee802.15.4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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于ieee802.15.4协议的无线网络化控制系统的调度算法，含有以下步骤：

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∈r^n×n和b∈r^n×m是系统矩阵，x(k)∈rⁿ代表系统状态，u(k)∈r^m代表控制输入。根据该模型，计算滚动时域控制增益

其中np是预测时域，τsc,k是给定的时延，的不为零子块为且j-i≤τsc,k,1≤i≤np,1≤j≤τsc,k+nu，nu为控制时域，q和r分别是n×np阶和τsc,k+nu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τsc,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：

基本思想是利用ieee802.15.4协议中的信标帧向传感器传递特定信号。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(ki-1)并将其转发给增益调度器，根据公式(4)计算ki+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(kj-1)通过双gts传输；网络调度器接收x(kj-1)并根据公式(4)计算kj+1和gj＝kj+1-kj；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(kj-2)，如果发送成功(网络调度器根据公式(6)计算kj+1和gj＝kj+1-kj)并且gj＞0，网络调度器通过gts发送x(kj-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(kj-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kj+1和gj＝kj+1-(kj-1)。如果gj＝0，进入步骤5.4；否则网络调度器通过cap发送x(kj－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kj＋1和gj＝kj+1-kj，如果gj＞0，网络调度器通过gts发送x(kj-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。

与现有技术相比，本发明方案的优点有：

(1)本发明针对的是基于ieee802.15.4共享网络场景下的无线网络化控制，无线网络允许其它用户加入和离开，充分发挥了无线网络易组网、高灵活性的优势；

(2)本发明将一组与时延相关的控制增益与传统的自触发控制相结合，控制的保守性更低，因此在满足对控制性能要求的前提下，能够较大程度地降低无线网络化控制系统对ieee802.15.4网络gts资源地依赖性。

附图说明

图1：基于本发明方法的双gts调度算法的控制系统框图；

图2：基于本发明方法的混合调度算法的控制系统框图；

图3(a)：基于本发明方法的双gts调度算法的动态轨迹与传统方法的动态轨迹比较；

图3(b)：基于本发明方法的双gts调度算法的控制输入轨迹与传统方法的控制输入轨迹比较；

图4：本发明方法的混合网络调度算法流程图。

具体实施方式

为了便于技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和计算机仿真对本发明作进一步的详细描述。

一种基于ieee802.15.4协议的无线网络化控制系统的调度算法，包含以下步骤：

步骤1.计算控制增益序列k；

给定控制系统模型如下：

系统的初始值

易知n＝2,m＝1。令np＝20，nu＝10，q为40阶单位矩阵，r为τsc,k+10阶单位矩阵。根据公式(2),分别计算当τsc,k＝1,2,…,10，的反馈增益并取出子块由此可以得到本算法的控制增益序列如下：

步骤2：计算更新截止期限ki+1；

已知(1)(3),根据公式(4)编写matlab函数calculate(x,u),实现由输入x(ki-1)和u(ki-1)计算输出ki+1。

步骤3：制定请求采样规则；

该规则在实际的ieee802.15.4无线网络中制定。本例不涉及请求采样的问题。

步骤4：实施双gts网络调度算法；

在了解控制系统的结构(见附图(1))的基础上，根据以以下步骤中的逻辑编写matlab主程序。

4.1)初始化。令k＝0，k1＝1，u(0)＝0，

4.2)将u(0)和x(0)代入函数(11),得到k2＝calculate(x(0),u(0))；

4.3)计算u(k)，k∈[k1,k2)。即

并迭代模型(9),得到x(k2－1)。

4.4)基于x(k2－1)和u(k2-1)重复上述过程。

步骤5.实施混合网络调度算法；

具体实施见图(4)。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。