專利名稱：一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)技術(shù)，特別是涉及一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)信息資源共享，遠(yuǎn)程操作，并具有操作簡(jiǎn)便、易于安裝和維護(hù)、低費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)，迎合了工業(yè)、醫(yī)療和交通等領(lǐng)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(yīng)用到復(fù)雜的工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能交通等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)以其深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極度關(guān)注，成為國(guó)內(nèi)外控制界研究的熱點(diǎn)。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用領(lǐng)域的特點(diǎn)對(duì)可靠性、實(shí)時(shí)性和節(jié)能性等通信質(zhì)量提出了更加嚴(yán)格的要求。可靠性方面，應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)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(shí)現(xiàn)可靠通信成為急需解決的難題；實(shí)時(shí)性方面，應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的要求非常嚴(yán)格，微小的延遲都會(huì)造成重大事故。具有硬實(shí)時(shí)保證的通信是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的基本要求；節(jié)能性方面，低能耗是保證設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行、降低維護(hù)成本的關(guān)鍵，也是控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的又一要求，特別是對(duì)電源更換困難的設(shè)備而言。網(wǎng)絡(luò)的介入，不可避免地存在數(shù)據(jù)包錯(cuò)序現(xiàn)象，數(shù)據(jù)包錯(cuò)序已經(jīng)是現(xiàn)代工業(yè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、商業(yè)等領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用中一個(gè)普遍存在的客觀現(xiàn)象。數(shù)據(jù)包錯(cuò)序是指數(shù)據(jù)包提前或遲于到達(dá)接收端，也有部分文獻(xiàn)僅將遲于到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)包作為錯(cuò)序包。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為一個(gè)包括網(wǎng)絡(luò)與控制的整體，其性能既包括網(wǎng)絡(luò)性能又包括控制性能。錯(cuò)序影響網(wǎng)絡(luò)性能(帶寬、傳輸率、吞吐量和時(shí)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(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)代化、網(wǎng)絡(luò)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(luò)(Ad Hoc)的應(yīng)用，使錯(cuò)序呈現(xiàn)日益嚴(yán)重的趨勢(shì)。鑒于錯(cuò)序?qū)W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)整體性能的影響，為保證可靠、實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)通信，降低能耗，獲得較高的控制性能指標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有必要采用先進(jìn)的控制技術(shù)，消除錯(cuò)序?qū)ο到y(tǒng)性能的影響。而目前，能夠同時(shí)滿足上述可靠性、實(shí)時(shí)性以及節(jié)能性三方面要求的基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法， 即，提供一種可靠、實(shí)時(shí)、靈活、節(jié)能的、基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，該方法包括基于實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析的錯(cuò)序認(rèn)知方法；
基于錯(cuò)序認(rèn)知的采樣率自適應(yīng)算法；采樣率和被控對(duì)象聯(lián)合控制的控制器設(shè)計(jì)； 面向網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模； 面向網(wǎng)絡(luò)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(gè)模塊認(rèn)知模塊，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)序感知、識(shí)別和分析；計(jì)算模塊，計(jì)算錯(cuò)序度量值，設(shè)計(jì)采樣率自適應(yīng)算法，計(jì)算聯(lián)合控制采樣率和被控對(duì)象的控制行為；監(jiān)管模塊，監(jiān)督系統(tǒng)性能指標(biāo)變化，調(diào)整控制器參數(shù)；
其錯(cuò)序認(rèn)知過程包括錯(cuò)序感知、錯(cuò)序分析和錯(cuò)序決策；
其采樣率自適應(yīng)算法以錯(cuò)序認(rèn)知為基本依據(jù)，根據(jù)采樣率與錯(cuò)序熵統(tǒng)計(jì)信息之間的復(fù)雜耦合關(guān)系，構(gòu)建采樣率狀態(tài)方程。所述的ー種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其所述的錯(cuò)序感知，通過采用數(shù)據(jù)包的期望到達(dá)序列數(shù)與接收索引(接收端分配)比較法實(shí)現(xiàn)錯(cuò)序的實(shí)時(shí)感知和識(shí)別；錯(cuò)序分析，基于熵的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，估計(jì)最大時(shí)延界 D1，確定錯(cuò)序閾值’，采用直
方圖方法計(jì)算錯(cuò)序密度，獲得錯(cuò)序熵み=(-的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，其中，
BDW表示偏移值為^的數(shù)據(jù)包的錯(cuò)序密度]カ非負(fù)整數(shù)，表示錯(cuò)序閾值；錯(cuò)序決策基于錯(cuò)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(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其所述的基于錯(cuò)序認(rèn)知的采樣率自適應(yīng)算法具體步驟如下
基于錯(cuò)序熵越接近0越有序，越大越無序的原理及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，應(yīng)用回歸分析方法，研究采樣率與錯(cuò)序熵之間的復(fù)雜關(guān)系；
根據(jù)采樣率關(guān)于錯(cuò)序熵的擬合曲線，選用適當(dāng)步長(zhǎng)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(shí)刻，EM表示時(shí)刻的錯(cuò)序熵。所述的ー種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其考慮克服網(wǎng)絡(luò)不利因素(錯(cuò)序、時(shí)延和丟包)的自身控制器設(shè)計(jì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)采樣率和被控對(duì)象一體化控制。所述的ー種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其采用拋棄晚到包策略，基于泰勒級(jí)數(shù)展開公式，處理時(shí)變采樣周期，建模系統(tǒng)為具有多面體不確定項(xiàng)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(shè)計(jì)反饋控制輸入，令
其中，Uif(A)為被控對(duì)象控制序列，み(勾為采樣周期控制序列。所述的ー種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模方法為針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失有界的網(wǎng)絡(luò)，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(hào)與偏移值之間的映射關(guān)系，獲得執(zhí)行最新信號(hào)的控制輸入序列；由干，基于錯(cuò)序熵的統(tǒng)計(jì)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(xiàng)的閉環(huán)切換系統(tǒng)模型。所述的ー種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其面向網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化研究中，設(shè)計(jì)部分模型依賴自適應(yīng)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(yīng)調(diào)整控制器參數(shù)的計(jì)算復(fù)雜性和増加的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。所述的ー種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)性能和能量消耗權(quán)值比重，構(gòu)建關(guān)于上述兩種性能指標(biāo)的具有權(quán)值的多目標(biāo)效用函數(shù)；采用分段Lyapimov函數(shù)，利用平均處理時(shí)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(shè)計(jì)方案。所述的ー種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其選用調(diào)節(jié)因子，構(gòu)建部分模型依賴自適應(yīng)控制器
權(quán)利要求
1.一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法包括 基于實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析的錯(cuò)序認(rèn)知方法；基于錯(cuò)序認(rèn)知的采樣率自適應(yīng)算法； 采樣率和被控對(duì)象聯(lián)合控制的控制器設(shè)計(jì)； 面向網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模； 面向網(wǎng)絡(luò)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(gè)模塊認(rèn)知模塊，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)序感知、識(shí)別和分析；計(jì)算模塊，計(jì)算錯(cuò)序度量值，設(shè)計(jì)采樣率自適應(yīng)算法，計(jì)算聯(lián)合控制采樣率和被控對(duì)象的控制行為；監(jiān)管模塊，監(jiān)督系統(tǒng)性能指標(biāo)變化，調(diào)整控制器參數(shù)；其錯(cuò)序認(rèn)知過程包括錯(cuò)序感知、錯(cuò)序分析和錯(cuò)序決策；其采樣率自適應(yīng)算法以錯(cuò)序認(rèn)知為基本依據(jù)，根據(jù)采樣率與錯(cuò)序熵統(tǒng)計(jì)信息之間的復(fù)雜耦合關(guān)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(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的錯(cuò)序感知，通過采用數(shù)據(jù)包的期望到達(dá)序列數(shù)與接收索引(接收端分配)比較法實(shí)現(xiàn)錯(cuò)序的實(shí)時(shí)感知和識(shí)別；錯(cuò)序分析，基于熵的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，估計(jì)最大時(shí)延界戰(zhàn)，確定錯(cuò)序閾值T，采用直方圖方法計(jì)算錯(cuò)序密度，獲得錯(cuò)序熵
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述的基于錯(cuò)序認(rèn)知的采樣率自適應(yīng)算法具體步驟如下基于錯(cuò)序熵越接近0越有序，越大越無序的原理及其統(tǒng)計(jì)規(guī)律，應(yīng)用回歸分析方法，研究采樣率與錯(cuò)序熵之間的復(fù)雜關(guān)系；根據(jù)采樣率關(guān)于錯(cuò)序熵的擬合曲線，選用適當(dāng)步長(zhǎng)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(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，考慮克服網(wǎng)絡(luò)不利因素(錯(cuò)序、時(shí)延和丟包)的自身控制器設(shè)計(jì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)采樣率和被控對(duì)象一體化控制。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，采用拋棄晚到包策略，基于泰勒級(jí)數(shù)展開公式，處理時(shí)變采樣周期，建模系統(tǒng)為具有多面體不確定項(xiàng)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(shè)計(jì)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(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法， 其特征在于，網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模方法為針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失有界的網(wǎng)絡(luò)，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(hào)與偏移值之間的映射關(guān)系，獲得執(zhí)行最新信號(hào)的控制輸入序列；由于，基于錯(cuò)序熵的統(tǒng)計(jì)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(xiàng)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(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，面向網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化研究中，設(shè)計(jì)部分模型依賴自適應(yīng)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(yīng)調(diào)整控制器參數(shù)的計(jì)算復(fù)雜性和增加的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)性能和能量消耗權(quán)值比重，構(gòu)建關(guān)于上述兩種性能指標(biāo)的具有權(quán)值的多目標(biāo)效用函數(shù)；采用分段Lyapimov函數(shù)，利用平均處理時(shí)間技術(shù)、S-程序和線性矩陣不等式技術(shù)，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能優(yōu)化，獲得控制器設(shè)計(jì)方案。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)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(yīng)控制器
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于錯(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)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(biāo)及網(wǎng)絡(luò)QoS，自適應(yīng)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(cuò)序認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)集成控制器設(shè)計(jì)方法，涉及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)技術(shù)，包括以下步驟基于實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析的錯(cuò)序認(rèn)知方法；基于錯(cuò)序認(rèn)知的采樣率自適應(yīng)算法；采樣率和被控對(duì)象聯(lián)合控制的控制器設(shè)計(jì)；面向網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)建模；面向網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與性能優(yōu)化。本發(fā)明以錯(cuò)序認(rèn)知為基本依據(jù)、以集成控制為基本模式、以設(shè)計(jì)控制律自適應(yīng)控制采樣周期和被控對(duì)象為基本手段，以獲得集成控制器設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)為目標(biāo)，不僅為解決網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的錯(cuò)序問題提供新的控制方法，為網(wǎng)絡(luò)和控制一體化設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持，而且對(duì)于實(shí)現(xiàn)高可靠、硬實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信，提高應(yīng)用系統(tǒng)性能，降低能耗，具有重要的實(shí)際意義。
文檔編號(hào)G05B13/04GK102566428SQ20121000451
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)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(qǐng)人:沈陽(yáng)化工大學(xué)