CN113242604A - 一种基于动态信道选择的资源调度方法 - Google Patents

Abstract

一种基于动态信道选择的资源调度方法，首先在传感器和控制器之间设计一个信道选择模块，信道选择模块根据系统模型和收到的传感数据来计算得到执行器端上一时刻使用的数据；然后信道选择模块在每个时刻可以比较传感数据和上一个时刻的执行器端使用的数据之间的误差是否小于给定阈值，如果小于给定阈值使用竞争信道传输，大于给定阈值使用非竞争信道传输数据，从而保证每个时刻的执行器端使用的数据与传感数据之间的误差小于给定阈值。最终实现在保证控制系统性能的同时尽量地减少非竞争信道的使用。

Description

一种基于动态信道选择的资源调度方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络化控制系统中的资源调度方法。特别是针对无线网络化控制系统中通信网络的竞争传输信道和非竞争传输信道的动态选择问题。

背景技术

无线网络化控制系统是通过无线通信网络闭合控制回路的控制系统，相较于传统的点对点控制系统，具有布线少，通信灵活，维护简单等优点。以及由于近些年来无线通信技术的快速发展，无线网络化控制系统也得到了越来越广泛的应用，例如智能家居，智能电网，工业机器人遥控等。然而无线通信网络的资源是有限的，当网络化控制系统的通信网络为多用户共享的通信网络时，网络资源调度的问题是系统分析和设计中需要考虑的一个重要问题。

非竞争信道传输是指在某一段时隙中，信道为某一个用户专用。非竞争信道传输可以保证数据传输的时延和丢包特性，这对控制系统而言是更好的。但是非竞争信道的资源非常有限，例如在IEEE 802.15.4协议中每个周期内最多有7个用户均使用非竞争信道传输数据，这在通信网络为多用户共享的网络化控制系统中很可能出现信道资源不够用的情况。并且不同用户的数据传输时间可能不等，非竞争信道的每个时隙是等分的，使得网络总吞吐量较低，造成信道资源浪费的问题。

竞争信道传输在一定程度上克服了以上缺点，竞争传输信道指多个用户之间通过竞争来抢占信道资源发送数据，按照数据实际发送需要的时间来间隔发送下一个数据，可以提高网络的总吞吐量，使通信网络利用率提高。然而“竞争”的方式可能会发生数据包的碰撞，数据传输的时延和丢包特性无法得到保证，影响控制系统实时性，可能会对控制系统性能产生影响，甚至会使控制系统失稳。

基于上面一直使用非竞争信道可能会造成信道资源浪费和一直使用竞争信道可能会对控制系统的性能产生影响甚至会使控制系统失稳之间的矛盾，一些研究者有考虑在使用非竞争信道传输的前一个周期或几个周期尝试用竞争信道传输，如果竞争信道传输成功则取消下一次的非竞争信道传输。然而这种尝试发送的做法只适用于反馈信道。本发明注意到控制系统的传输要求是可以预知的。而根据控制系统的传输需求来动态选择信道传输数据的研究成果较少，具有挑战性。

发明内容

本发明要克服通信网络为多用户共享的无线网络化控制系统中的信道资源调度的问题，提出一种预测系统传输需求的非竞争信道和竞争信道传输的动态选择方法，在保控制系统性能的同时尽量地节省珍贵的非竞争信道资源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于动态信道选择的资源调度方法，含有以下步骤：

步骤1.初始化系统；给定系统初始状态，给定参数μ，其中0＜μ＜1。

步骤2.设计一个信道选择模块，求解系统的控制器K和信道选择条件；具体求解过程如下：

①首先给出基于系统状态的信道选择条件，考虑一个线性离散系统如下：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k) (1)

其中，x(k)∈Rⁿ是系统状态，u(k)∈R^m是控制输入，A,B分别为适当维数的系统矩阵。

针对使用竞争和非竞争两种信道传输对控制系统产生的不同影响建模；假设闭环系统使用竞争信道传输数据存在随机丢包，使用非竞争信道传输数据不存在丢包。定义

表示执行器端在k时刻使用的数据，

其中σ(k)为1表示闭环系统在传输过程中发生丢包，为0表示不发生丢包。

此时系统模型如下：

其中

r(k)为1表示使用非竞争信道传输，为0表示竞争信道传输。

在传感器和控制器之间设计一个信道选择模块。信道选择模块根据系统模型和收到的传感数据进行计算判断上一个时刻闭环系统是否出现丢包的情况，从而知道上一个时刻执行器端的数据使用情况。具体计算方法如下：

信道选择模块在k时刻已知的数据有：x(k),x(k-1)...,已知被控对象的状态模型，状态反馈控制器K是提前离线算好的，所以将x(k-1)代入到系统模型x(k)＝Ax(k-1)+Bu(k-1)＝Ax(k-1)+BKx(k-1)可以算出一个系统状态值，将其与信道选择模块真实收到的x(k)比较，如果相等，则说明闭环系统在k-1时刻采样的系统状态没有发生丢包，否则发生了丢包。

定义

为执行器k时刻收到的状态误差，为了确保状态误差e(k)小于给定阈值。在信道选择模块通过比较

和给定阈值来判断是否使用非竞争信道来传输，即：

其中，Ω是待求矩阵，μ为给定的参数。

②根据以上的基于系统状态的信道选择策略对闭环系统进行建模；

③根据稳定性条件求出控制器K和信道选择条件中待确定的参数；

定义李雅普诺夫函数V(k)＝x^T(k)Px(k)，写出ΔV(k)＝x^T(k+1)Px(k+1)-x^T(k)Px(k)如下：

由于μx^T(k)Ωx(k)-e^T(k)Ωe(k)≥0

为了确保系统的稳定性，需要ΔV(k)小于0。通过schur补将上式化成如下矩阵不等式：

解LMI求出控制器和待定的Ω,P。为了方便Matlab中的LMI工具箱求解，通过左乘右乘对角矩阵diag{I,P^-1,P^-1}，将式(8)转化为如下线性矩阵不等式

其中X＝P^-1,Y＝KP^-1,

系统的控制器K和信道选择条件求解完成。

步骤3.传感器周期采样控制系统，得到x(k)，发送到信道选择模块；

步骤4.信道选择模块计算

并且根据下式进行闭环系统数据传输信道的选择；

其中r(k)为0表示竞争信道传输，为1表示使用非竞争信道传输。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点有：

(1)本发明根据系统的实时状态动态地选择数据传输的信道，在保证控制系统性能的同时尽量减少非竞争信道的使用，提高了信道资源的利用率；

(2)本发明信道选择模块通过计算知道执行器端上一时刻使用的数据，不需要执行器再回传数据，并且基于系统状态的信道选择方法也不需要提前知道竞争信道传输数据的丢包率。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种基于动态信道选择的资源调度方法系统结构图；

图2是本发明实施例1的系统流程图；

图3是本发明实施例2的系统状态响应图；

图4是仅使用竞争信道的系统状态响应图；

图5是本发明实施例2的非竞争信道使用次数图；

图6是本发明实施例2在不同丢包率下非竞争信道使用次数图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1：

一种基于动态信道选择的资源调度方法，含有以下步骤：

步骤1.初始化系统；给定系统初始状态，给定参数μ，其中0＜μ＜1。

步骤2.设计一个信道选择模块，求解系统的控制器K和信道选择条件；具体求解过程如下：

②首先给出基于系统状态的信道选择条件，考虑一个线性离散系统如下：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k) (1)

其中，x(k)∈Rⁿ是系统状态，u(k)∈R^m是控制输入，A,B分别为适当维数的系统矩阵。

针对使用竞争和非竞争两种信道传输对控制系统产生的不同影响建模；假设闭环系统使用竞争信道传输数据存在随机丢包，使用非竞争信道传输数据不存在丢包。定义

表示执行器端在k时刻使用的数据，

其中σ(k)为1表示闭环系统在传输过程中发生丢包，为0表示不发生丢包。

此时系统模型如下：

其中

r(k)为1表示使用非竞争信道传输，为0表示竞争信道传输。

在传感器和控制器之间设计一个信道选择模块。信道选择模块根据系统模型和收到的传感数据进行计算判断上一个时刻闭环系统是否出现丢包的情况，从而知道上一个时刻执行器端的数据使用情况。具体计算方法如下：

信道选择模块在k时刻已知的数据有：x(k),x(k-1)...,已知被控对象的状态模型，状态反馈控制器K是提前离线算好的，所以将x(k-1)代入到系统模型x(k)＝Ax(k-1)+Bu(k-1)＝Ax(k-1)+BKx(k-1)可以算出一个系统状态值，将其与信道选择模块真实收到的x(k)比较，如果相等，则说明闭环系统在k-1时刻采样的系统状态没有发生丢包，否则发生了丢包。

定义

为执行器k时刻收到的状态误差，为了确保状态误差e(k)小于给定阈值。在信道选择模块通过比较

和给定阈值来判断是否使用非竞争信道来传输，即：

其中，Ω是待求矩阵，μ为给定的参数。

②根据以上的基于系统状态的信道选择策略对闭环系统进行建模；

③根据稳定性条件求出控制器K和信道选择条件中待确定的参数；

定义李雅普诺夫函数V(k)＝x^T(k)Px(k)，写出ΔV(k)＝x^T(k+1)Px(k+1)-x^T(k)Px(k)如下：

由于μx^T(k)Ωx(k)-e^T(k)Ωe(k)≥0

为了确保系统的稳定性，需要ΔV(k)小于0。通过schur补将上式化成如下矩阵不等式：

解LMI求出控制器和待定的Ω,P。为了方便Matlab中的LMI工具箱求解，通过左乘右乘对角矩阵diag{I,P^-1,P^-1}，将式(8)转化为如下线性矩阵不等式

其中X＝P^-1,Y＝KP^-1,

系统的控制器K和信道选择条件求解完成。

步骤3.传感器周期采样控制系统，得到x(k)，发送到信道选择模块；

步骤4.信道选择模块计算

并且根据下式进行闭环系统数据传输信道的选择；

其中r(k)为0表示竞争信道传输，为1表示使用非竞争信道传输。

实施例2：

(1)选取实际的被控对象；

考虑倒立摆模型如下

其中I为摆惯性，l为摆长度，b为摩擦系数，φ为倒立摆倾斜角度，m,M分别为小车和摆质量，x为小车位置坐标，D_e＝I(M+m)+Mml²。代入具体数值并选择采样时间T＝0.01s，则系统的离散状态空间方程如下：

(2)参数设置；

下面对本发明所提的动态资源调度方法进行仿真，各参数设定如下：

x(0)＝[0.98 0 0.2 0]^T,μ＝0.3，p＝0.5。

(3)实验结果；

通过Matlab求解式(9)的LMI得到K＝[0.0854 0.5811 -17.1992 -3.1226]，

实验结果如图3～6所示，图3～4为所提方法和只使用竞争信道传输的系统状态响应图，从结果来看，单使用竞争信道不能满足控制系统稳定性的要求。图5为前600步中非竞争信道的使用次数，可以看出非竞争信道的使用次数远远少于竞争信道使用次数。图6为所提方法在不同丢包率的情况下非竞争信道的使用次数，可以看出所提方法在不同丢包率的情况下，能动态的调节非竞争信道的使用次数，在保证系统稳定的同时尽量地节约信道资源。

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。

Claims (1)

1.一种基于动态信道选择的资源调度方法，含有以下步骤：

步骤1.初始化系统；给定系统初始状态，给定参数μ，其中0＜μ＜1。

步骤2.设计一个信道选择模块，求解系统的控制器K和信道选择条件；具体求解过程如下：

①首先给出基于系统状态的信道选择条件，考虑一个线性离散系统如下：

x(k+1)＝Ax(k)+Bu(k) (1)

其中，x(k)∈Rⁿ是系统状态，u(k)∈R^m是控制输入，A,B分别为适当维数的系统矩阵。

针对使用竞争和非竞争两种信道传输对控制系统产生的不同影响建模；假设闭环系统使用竞争信道传输数据存在随机丢包，使用非竞争信道传输数据不存在丢包。定义

表示执行器端在k时刻使用的数据，

其中σ(k)为1表示闭环系统在传输过程中发生丢包，为0表示不发生丢包。

此时系统模型如下：

其中

r(k)为1表示使用非竞争信道传输，为0表示竞争信道传输。

在传感器和控制器之间设计一个信道选择模块。信道选择模块根据系统模型和收到的传感数据进行计算判断上一个时刻闭环系统是否出现丢包的情况，从而知道上一个时刻执行器端的数据使用情况。具体计算方法如下：

信道选择模块在k时刻已知的数据有：x(k),x(k-1)...,已知被控对象的状态模型，状态反馈控制器K是提前离线算好的，所以将x(k-1)代入到系统模型x(k)＝Ax(k-1)+Bu(k-1)＝Ax(k-1)+BKx(k-1)可以算出一个系统状态值，将其与信道选择模块真实收到的x(k)比较，如果相等，则说明闭环系统在k-1时刻采样的系统状态没有发生丢包，否则发生了丢包。

定义

为执行器k时刻收到的状态误差，为了确保状态误差e(k)小于给定阈值。在信道选择模块通过比较

和给定阈值来判断是否使用非竞争信道来传输，即：

其中，Ω是待求矩阵，μ为给定的参数。

②根据以上的基于系统状态的信道选择策略对闭环系统进行建模；

③根据稳定性条件求出控制器K和信道选择条件中待确定的参数；

定义李雅普诺夫函数V(k)＝x^T(k)Px(k)，写出ΔV(k)＝x^T(k+1)Px(k+1)-x^T(k)Px(k)如下：

由于μx^T(k)Ωx(k)-e^T(k)Ωe(k)≥0

为了确保系统的稳定性，需要ΔV(k)小于0。通过schur补将上式化成如下矩阵不等式：

解LMI求出控制器和待定的Ω,P。为了方便Matlab中的LMI工具箱求解，通过左乘右乘对角矩阵diag{I,P^-1,P^-1}，将式(8)转化为如下线性矩阵不等式

其中X＝P^-1,Y＝KP^-1,

系统的控制器K和信道选择条件求解完成。

步骤3.传感器周期采样控制系统，得到x(k)，发送到信道选择模块；

步骤4.信道选择模块计算

并且根据下式进行闭环系统数据传输信道的选择；

其中r(k)为0表示竞争信道传输，为1表示使用非竞争信道传输。

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