专利名称：一种物联网环境下共享网络通信带宽优化管理算法的制作方法
技术领域：
本发明涉及网络化工业控制系统共享网络资源管理技术领域，特别涉及一种物联 网环境下大规模网络化工业控制系统的共享网络通信带宽资源优化管理。
背景技术：
近年来，工业控制领域中的多种有线、无线网络通信协议已日趋成熟，基于标准网 络接口的微控制单元、传感器、执行器的普及和嵌入式操作系统软件标准的完善，为物联网 大规模应用于工业控制奠定了基础。图1是物联网环境下基于共享通信网络的大规模工业 网络化控制系统，图中共享集中控制器具有较高的计算能力，这使得各种先进控制算法应 用于工程实际成为可能，从而进一步提高了闭环控制系统的控制精度，它是被控系统建模、 控制算法仿真、系统闭环控制、系统状态监测及共享资源管理的一体化计算平台。当加入一 个新的被控系统时，其传感器、执行器可利用标准接口方便地连入共享通信网络，只要在运 行嵌入式操作系统的集中控制器上加入一个计算任务，该任务被定时调度，用来采样被控 系统的输出信号、计算并且发送控制信号，就实现了该被控系统的网络化闭环控制，如此大 大降低了控制系统的软、硬件实现成本与投资成本，并且提高了控制性能。由此，物联网环 境下基于共享通信网络的大规模工业网络化控制系统具有构建成本低、构建速度快、容易 调试、连接灵活、即插即用易维护的优点，显著优于传统的分散型控制系统(DCS)和现场总 线控制系统(FCS)，代表了物联网环境下构建大规模工业网络化控制系统的发展趋势。图1所示的物联网环境下基于共享通信网络的大规模工业网络化控制系统有很 好的应用前景，但也带来了共享有限资源的竞争与分配问题，工业控制中的共享有限资源 主要表现为共享通信网络存在带宽约束，即单位时间内网络传输的总的信息量存在上限， 也就是可调节的通信网络参数(采样速率和控制信号传输时的数据包长，即量化精度)的 乘积存在上限。为达到工业控制系统整体最优节能高效运行的目标，必须研究如何最优地 分配共享网络通信带宽，即如何确定各个网络化控制系统的可调节通信网络参数，总体上 平衡协调各个控制系统的控制精度要求，实现大规模网络化控制系统的整体最优运行，而 从公开的文献看，关于物联网环境下大规模工业网络化控制系统的共享网络通信带宽优化 管理，尚未发现相关的研究结果。
发明内容
本发明的目的是提供一种物联网环境下大规模工业网络化控制系统的共享网络 通信带宽优化管理算法，此算法基于广义几何凸优化方法进行，能够实现共享网络通信带 宽资源的最优分配。本发明的算法是建立各个网络化控制系统L2控制性能与通信网络参数之间的 数值关系，基于广义几何凸优化方法对该数值关系进行凸性分析及凸性拟合，并以该数值 关系凸性分析及凸性拟合的结果作为约束条件，以大规模网络化控制系统整体性能(即各 个网络化控制系统的加权L2控制性能)为资源分配目标，将共享网络资源的优化管理问题表述为广义几何凸优化问题，采用凸优化软件包求取优化管理问题的全局最优解，即给出 最优的资源分配方案，并实现每个网络化控制系统的稳定且达到优化的L2控制性能。所述算法中的通信网络参数必包括量化精度和采样速率这两个参数。不同的工业 网络化控制系统选取的通信网络参数会有所不同，这需要根据工业网络化控制系统应用的 环境和背景来决定。例如有的工业网络化控制系统选取采样速率、量化精度和网络传输延 迟作为通信网络参数，而有的工业网络化控制系统则选取采样速率、量化精度、网络传输延 迟及网络通信协议的仲裁机制与数据包丢失作为通信网络参数。本发明的有益效果是广义几何凸优化可以处理优化变量的非整数次幂的复杂 乘、加项约束，且其求解算法具有线性时间复杂性优点，因此可以处理物联网环境下的大规 模工业网络化控制系统共享网络资源优化管理问题，且能够快速求得全局最优通信带宽资 源分配方案，实现物联网环境下大规模工业网络化控制系统的整体最优节能高效运行。
图1是物联网环境下基于共享通信网络的大规模工业网络化控制系统
具体实施例方式下面通过一实施例对本发明算法进一步说明第一步建立各个网络化控制系统L2控制性能与通信网络参数之间的数值关系将大规模工业网络化控制系统中的各个闭环系统稳定且L2控制性能有上界的充 分性条件化为线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequalities, LMI)或双线性矩阵不等式 (Bi-linear Matrix Inequalities，BMI)约束，用LMI优化方法求得性能上界。上述约束 中含有通信网络参数，这里通信网络参数包括量化精度、采样速率、网络传输延迟、及网络 通信协议的仲裁机制与数据包丢失，调节某个参数，重新运行LMI优化程序，就得到新参数 对应的L2控制性能上界，即在数值上建立了 L2控制性能与通信网络参数之间的关系。第二步进行各个网络化控制系统L2控制性能与通信网络参数之间数值关系的 凸性分析及凸性拟合一般闭环系统的L2控制性能单调依赖于单个的通信网络参数，例如，闭环系统的 采样速率越慢L2控制性能越差，量化精度越差L2控制性能越差。然而各个网络化控制系统 的L2控制性能是依赖于多个通信网络参数的多变量函数，由此基于广义几何凸优化方法， 可以处理优化变量的非整数次幂的复杂乘、加项约束，对该函数进行凸性分析，另外对于非 凸函数的情况，在合适的范围内对L2控制性能进行数值凸性拟合。第三步将共享网络资源的优化管理问题表述为广义几何凸优化问题以各个网络化控制系统L2控制性能与通信网络参数之间数值关系的凸性分析及 凸性拟合的结果作为约束，以大规模网络化控制系统整体性能(即各个网络化控制系统的 加权L2控制性能)为资源分配目标，将共享网络资源的优化管理问题表述为广义几何凸优 化问题。第四步进行凸优化问题的求解采用凸优化软件包求取共享网络资源的优化管理问题的全局最优解，得到最优的 资源分配方案，且使得每个网络化控制系统稳定并达到优化的L2控制性能，实现大规模工业网络化控制系统整体最优节能高效运行。
权利要求
1.一种物联网环境下共享网络通信带宽优化管理算法，其特征在于建立各个网络化 控制系统L2控制性能与通信网络参数之间的数值关系，基于广义几何凸优化方法对该数 值关系进行凸性分析及凸性拟合，并以该数值关系凸性分析及凸性拟合的结果作为约束条 件，以大规模网络化控制系统整体性能，也就是各个网络化控制系统的加权L2控制性能， 为资源分配目标，将共享网络资源的优化管理问题表述为广义几何凸优化问题，采用凸优 化软件包求取优化管理问题的全局最优解，即给出最优的资源分配方案，并实现每个网络 化控制系统的稳定且达到优化的L2控制性能。
2.根据权利要求1所述的算法，其特征在于所述的通信网络参数必需包括采样速率和 量化精度这两个通信网络参数。
3.根据权利要求2所述的算法，其特征在于对于不同的工业网络化控制系统的应用环 境和背景，通信网络参数的选取会有所不同。
全文摘要
本发明公开了一种物联网环境下的大规模网络化工业控制系统的共享网络通信带宽优化管理算法，此算法能够总体上平衡协调各个控制系统的控制精度要求，实现大规模网络化控制系统的整体最优节能高效运行。算法的实施方案建立各个网络化控制系统L2控制性能与通信网络参数之间的数值关系，基于广义几何凸优化方法对该数值关系进行凸性分析及凸性拟合，并以此结果作为约束条件，以大规模网络化控制系统整体性能为资源分配目标，将上述问题表述为广义几何凸优化问题，采用凸优化软件包求取全局最优解，即给出最优的资源分配方案，并实现每个网络化控制系统的稳定且达到优化的L2控制性能。
文档编号H04L12/56GK102136953SQ20111010917
公开日2011年7月27日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者周丽明 申请人:江南大学