无线网络化系统的控制与调度方法设计

摘要

无线网络控制系统(WNCS)作为一个新兴的研究领域，近年来受到越来越多关注。其研究成果被广泛应用于军事国防、工农业控制、生物医疗、环境监测、防恐反恐、远程控制等诸多领域。对于一个无线网络控制系统，稳定性是至关重要的问题之一。本文以确保无线网络控制系统稳定运行为目标，对无线网络控制系统的节点能量调度及控制器设计方法进行研究。
　　 首先，考虑到网络诱导时延在WNCS中普遍存在，且时延对系统稳定性的不利影响，将长时延无线网络控制系统建模为一类具有不确定参数的离散系统。结合Lyapunov方法，采用常见的线性矩阵不等式求解使系统保持稳定的状态反馈控制器，得到WNCS控制器的参数化设计方法。
　　 其次，在分析节点能耗的基础上，给出采样周期与生存时间之间的关系，并提出一种基于自适应采样周期的能量控制方法。该方法利用当前已知节点剩余能量与能耗速率信息，实时预测节点的生存时间，在系统稳定性和采样周期可调度的双重约束下，实时调整系统的采样周期，延长节点生存时间。然后考虑到存在系统采样周期不可调度的情况，从平衡节点间能量消耗的角度出发，引入经济学的市场模型，提出一种基于定价策略的传输任务分配协议，建立能量分配的市场模型。高能耗的节点通过协议将传输任务外包给低能耗节点执行，从而降低节点能耗速率，延长节点生存时间，增加网络生命周期，为系统稳定运行奠定基础，达到节点能耗调度目的。
　　 最后，针对节点能量及控制器同时影响系统稳定性，从控制与调度协同设计的角度出发，将前文提出的基于自适应采样周期的WNCS建模为一类具有不确定切换信号的离散切换系统。通过设计切换状态反馈控制律，并利用切换系统理论分析系统的稳定性，给出系统渐近稳定时控制器增益与滞留时间需要满足的约束条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景以及意义

1.2 无线网络控制系统的基本问题

1.2.1 节点驱动方式

1.2.2 网络诱导时延

1.2.3 数据包丢失

1.2.4 单包传输和多包传输

1.2.5 节点能量有限

1.3 国内外研究现状

1.4 论文的研究内容

第二章 无线网络控制系统建模及控制器设计

2.1 无线网络系统时延分析

2.2 具有不确定长时延的WNCS数学模型

2.3 闭环系统的鲁棒控制器设计

2.4 实例仿真

2.4.1 TrueTime仿真环境概述

2.4.2 仿真分析

2.5 本章小结

第三章 无线网络节点能量的动态调度研究

3.1 能量分析

3.2 基于自适应采样周期的无线网络节点能量调节方法

3.2.1 采样周期对系统性能的影响

3.2.2 采样周期与生存时间的关系

3.2.3 生存时间的在线预测

3.2.4 采样周期调节策略

3.2.5 仿真分析

3.3 基于定价策略的无线网络节点能量协议设计

3.3.1 基于经济学的能量转让市场模型建立

3.3.2 能量交易流程

3.3.3 广告传播能量调节

3.3.4 报价及报价决策算法

3.3.5 仿真分析

3.4 本章小结

第四章 WNCS控制与调度的协同设计

4.1 问题描述

4.2 基于自适应采样能量调度的WNCS数学模型

4.3 基于自适应采样周期的WNCS控制器设计

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第五章 结束语

5.1 结论

5.2 展望

致 谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文