多信道通信控制系统的优化控制方法
【专利摘要】多信道通信控制系统的优化控制方法，涉及一种网络控制系统的控制方法，包括以下步骤：基于多信道通信的数据包错序建模；确保执行最新信号的网络控制系统建模；基于Markovian跳变特征的随机系统建模；基于自适应方式的实时在线控制器设计。本发明针对多信道通信网络控制系统中存在数据包错序现象，定义数据包偏移值；然后，定义信号切换随机信道矩阵，建模NCSs为执行最新信号Markovian跳变系统；基于Markov理论结合LMI技术，分别针对不确定和确定多信道通信NCSs，设计实时自适应控制器，获得的闭环系统二次性能指标不超过指定上界。本发明有效消除错序对网络和控制系统性能的影响，方法便捷、高效、可行。
【专利说明】多信道通信控制系统的优化控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种网络控制系统的控制方法，特别是涉及一种多信道通信控制系统的优化控制方法。
【背景技术】
[0002]随着计算机技术和控制技术在工业领域的广泛应用，网络控制系统在实际工业控制领域、远程医疗领域以及智能电网等领域日益被需求。由于网络和多信道共享，所有采样数据不可能同时到达控制器和执行器，并且，数据包丢失，数据包错序和其他非理性因素总是不可避免地存在，这将严重降低系统的控制性能。与单输入单输出(SISO) NCSs相比，多输入多输出(MMO)NCSs的分析与设计变得更加复杂。然而，由于实际控制系统对于网络或系统的需求，与单信道通信相比，多信道通信越来越被需求。比如，当数据包的大小超出了通信信道规定的数据包尺寸，数据包不得不拆成多包多信道通信。并且，MMO系统能潜在地提高数据传输率和网络吞吐量。那么，多信道通信策略是必要的。因此，充分理解并最小化网络传输时延、数据包丢失和数据包错序等对多信道传输策略系统性能的影响是MIMONCSs分析和综合中必须要考虑的问题。近年来，MIMO NCSs的分析和综合已经取得了大量研究成果。总结现有研究成果，存在如下有待进一步解决的问题。(I)部分文献考虑到传输时延和丢包问题，但是没有讨论控制器设计。(2)考虑传感器、控制器和执行器的不同驱动方式，研究了 MMO NCSs的LQR控制器设计方案，但假定网络传输时延固定或小于一个采样周期，或者忽略数据包丢失的问题。最近，一些提出具有抖动的非确定网络相同或不同采样时刻需求的非交互多环集成技术，以便使系统获得满意的闭环响应。然而，应该指出的是上述文献仅仅考虑网络传输时延和数据包丢失对NCSs性能的影响，忽略错序的存在。既然错序不可避免地存在于网络通信中，并且错序的存在影响NCSs的网络性能和控制性能，那么，很显然，忽略错序设计的控制器很难镇定系统，在NCSs的实际应用中甚至可能使系统不稳定。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种多信道通信控制系统的优化控制方法，本方法为多信道通信的控制系统错序建模和系统优化控制，提供充分刻画多信道通信中错序现象的建模，并且，设计一种消除错序影响的优化控制方法。
[0004]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
多信道通信控制系统的优化控制方法，所述方法包括以下步骤:
(I)基于多信道通信的数据包错序建模:引入数据包偏移值的概念，给出刻画多信道通信给数据包错序的模型:
a.采用时间戳技术记录当前状态；
b.对于每个信道，定义数据包的期望到达序列数，接收索弓I，根据偏移值=接收索引-期望到达序列数在线计算每个数据包的偏移值；C.不失一般性，如果数据包在《°时刻前，包括U时刻未到达控制器或者已经丢失，假设其在tr时刻后按正常顺序到达，接收索引比真实值多I ;
(2)确保执行最新信号的网络控制系统建模:
a.构建线性定常参数不确定系统，定义二次性能指标；
b.假设传感器、控制器和执行器是时间同步，周期为T，控制器至执行器不存在网络，根据各通信信道数据包的偏移值，定义执行最新信号算子，设计控制器，获得执行最新信号的离散NCSs模型；
(3)基于Markovian跳变特征的随机系统建模:
a.节点接收的最新信号可能服从某种概率分布，不妨假设多信道传输节点接收的最新信号服从Markov链，定义状态转移概率和信道随机矩阵；
b.定义切换信号与标量的向量值算子
【权利要求】
1.多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (1)基于多信道通信的数据包错序建模:引入数据包偏移值的概念，给出刻画多信道通信给数据包错序的模型: a.采用时间戳技术记录当前状态； b.对于每个信道，定义数据包的期望到达序列数，接收索引，根据偏移值=接收索引-期望到达序列数在线计算每个数据包的偏移值； c.不失一般性，如果数据包在KT时刻前，包括tr时刻未到达控制器或者已经丢失，假设其在巾时刻后按正常顺序到达，接收索引比真实值多I ; (2)确保执行最新信号的网络控制系统建模: a.构建线性定常参数不确定系统，定义二次性能指标； b.假设传感器、控制器和执行器是时间同步，周期为T，控制器至执行器不存在网络，根据各通信信道数据包的偏移值，定义执行最新信号算子，设计控制器，获得执行最新信号的离散NCSs模型； (3)基于Markovian跳变特征的随机系统建模: a.节点接收的最新信号可能服从某种概率分布，不妨假设多信道传输节点接收的最新信号服从Markov链，定义状态转移概率和信道随机矩阵； b.定义切换信号与标量的向量值算子/:4.4^1^),获得Markovian跳变NCSs模型； (4)基于自适应方式的实时在线控制器设计: a.基于上述模型，重构性能指标； b.充分利用被控系统当前状态和滞后状态信息，选取新的李雅普诺夫泛函； c.基于李雅普诺夫稳定性原理及保性能优化控制方法，结合Markovian跳变理论，基于在线统计的错序知识，获得保证系统随机稳定的自适应控制率和控制性能上界，并且性能上界随网络动态变化时变； d.根据上述方法，针对确定性系统，设计在线自适应控制器，研究保性能控制； 上述构建能够实现消除错序对多信道通信的控制系统性能影响的目标，获得具有错序的多信道通信网络控制系统性能实时在线优化的控制方法。
2.根据权利要求1所述的多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法不失一般性，如果数据包在AT时刻前，对于一个在是T采样时刻之前，包括τ时刻，已经到达的数据包，如果偏移值不等于零，那么错序已经发生，如果偏移值大于零，表明数据包来晚了 ；如果偏移值小于零，表明数据包来早了 ；如果偏移值等于零，此数据包按正常顺序到底。
3.根据权利要求1所述的多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法对于每个信道，定义数据包的期望到达序列数，接收索引，根据偏移值=接收索引-期望到达序列数，在线计算每个数据包的偏移值。
4.根据权利要求1所述的多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法定义如下关于数据包偏移值的算子，保证系统执行最新的信号；
5.根据权利要求1所述的多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法提供信道随机矩阵，
6.根据权利要求1所述的多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法充分利用被控系统当前状态和滞后状态信息，选取新的李雅普诺夫泛函；基于李雅普诺夫稳定性原理及保性能优化控制方法，结合Markovian跳变理论，基于在线统计的错序知识，获得保证系统随机稳定的自适应控制率和控制性能上界。
7.根据权利要求1所述的多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法扩展了传统的实时性定义，实时性包括两种含义:一是，有界的激励响应时间，即传统定义；二是，在控制输入下，系统的稳定性和性能快速改。`
8.根据权利要求1所述的多信道通信控制系统的优化控制方法，其特征在于，所述方法控制根据时刻执行的最新信号适应调整，需要计算数据包的偏移值，这增加控制器的计算时间，对于有线ncs，有界的传输时延，并且，二次性能函数上界依赖矩阵'和 =,在控制器作用下，保性能上界时变。
【文档编号】H04L12/24GK103560899SQ201310380782
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】李金娜, 曾静, 王亮 申请人:沈阳化工大学