專利名稱：一種物聯網環境下共享網絡通信帶寬優化管理算法的制作方法
技術領域：
本發明涉及網絡化工業控制系統共享網絡資源管理技術領域，特別涉及一種物聯 網環境下大規模網絡化工業控制系統的共享網絡通信帶寬資源優化管理。
背景技術：
近年來，工業控制領域中的多種有線、無線網絡通信協議已日趨成熟，基于標準網 絡接口的微控制單元、傳感器、執行器的普及和嵌入式操作系統軟件標準的完善，為物聯網 大規模應用于工業控制奠定了基礎。圖1是物聯網環境下基于共享通信網絡的大規模工業 網絡化控制系統，圖中共享集中控制器具有較高的計算能力，這使得各種先進控制算法應 用于工程實際成為可能，從而進一步提高了閉環控制系統的控制精度，它是被控系統建模、 控制算法仿真、系統閉環控制、系統狀態監測及共享資源管理的一體化計算平臺。當加入一 個新的被控系統時，其傳感器、執行器可利用標準接口方便地連入共享通信網絡，只要在運 行嵌入式操作系統的集中控制器上加入一個計算任務，該任務被定時調度，用來采樣被控 系統的輸出信號、計算并且發送控制信號，就實現了該被控系統的網絡化閉環控制，如此大 大降低了控制系統的軟、硬件實現成本與投資成本，并且提高了控制性能。由此，物聯網環 境下基于共享通信網絡的大規模工業網絡化控制系統具有構建成本低、構建速度快、容易 調試、連接靈活、即插即用易維護的優點，顯著優于傳統的分散型控制系統(DCS)和現場總 線控制系統(FCS)，代表了物聯網環境下構建大規模工業網絡化控制系統的發展趨勢。圖1所示的物聯網環境下基于共享通信網絡的大規模工業網絡化控制系統有很 好的應用前景，但也帶來了共享有限資源的競爭與分配問題，工業控制中的共享有限資源 主要表現為共享通信網絡存在帶寬約束，即單位時間內網絡傳輸的總的信息量存在上限， 也就是可調節的通信網絡參數(采樣速率和控制信號傳輸時的數據包長，即量化精度)的 乘積存在上限。為達到工業控制系統整體最優節能高效運行的目標，必須研究如何最優地 分配共享網絡通信帶寬，即如何確定各個網絡化控制系統的可調節通信網絡參數，總體上 平衡協調各個控制系統的控制精度要求，實現大規模網絡化控制系統的整體最優運行，而 從公開的文獻看，關于物聯網環境下大規模工業網絡化控制系統的共享網絡通信帶寬優化 管理，尚未發現相關的研究結果。

發明內容
本發明的目的是提供一種物聯網環境下大規模工業網絡化控制系統的共享網絡 通信帶寬優化管理算法，此算法基于廣義幾何凸優化方法進行，能夠實現共享網絡通信帶 寬資源的最優分配。本發明的算法是建立各個網絡化控制系統L2控制性能與通信網絡參數之間的 數值關系，基于廣義幾何凸優化方法對該數值關系進行凸性分析及凸性擬合，并以該數值 關系凸性分析及凸性擬合的結果作為約束條件，以大規模網絡化控制系統整體性能(即各 個網絡化控制系統的加權L2控制性能)為資源分配目標，將共享網絡資源的優化管理問題表述為廣義幾何凸優化問題，采用凸優化軟件包求取優化管理問題的全局最優解，即給出 最優的資源分配方案，并實現每個網絡化控制系統的穩定且達到優化的L2控制性能。所述算法中的通信網絡參數必包括量化精度和采樣速率這兩個參數。不同的工業 網絡化控制系統選取的通信網絡參數會有所不同，這需要根據工業網絡化控制系統應用的 環境和背景來決定。例如有的工業網絡化控制系統選取采樣速率、量化精度和網絡傳輸延 遲作為通信網絡參數，而有的工業網絡化控制系統則選取采樣速率、量化精度、網絡傳輸延 遲及網絡通信協議的仲裁機制與數據包丟失作為通信網絡參數。本發明的有益效果是廣義幾何凸優化可以處理優化變量的非整數次冪的復雜 乘、加項約束，且其求解算法具有線性時間復雜性優點，因此可以處理物聯網環境下的大規 模工業網絡化控制系統共享網絡資源優化管理問題，且能夠快速求得全局最優通信帶寬資 源分配方案，實現物聯網環境下大規模工業網絡化控制系統的整體最優節能高效運行。


圖1是物聯網環境下基于共享通信網絡的大規模工業網絡化控制系統
具體實施例方式下面通過一實施例對本發明算法進一步說明第一步建立各個網絡化控制系統L2控制性能與通信網絡參數之間的數值關系將大規模工業網絡化控制系統中的各個閉環系統穩定且L2控制性能有上界的充 分性條件化為線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequalities, LMI)或雙線性矩陣不等式 (Bi-linear Matrix Inequalities，BMI)約束，用LMI優化方法求得性能上界。上述約束 中含有通信網絡參數，這里通信網絡參數包括量化精度、采樣速率、網絡傳輸延遲、及網絡 通信協議的仲裁機制與數據包丟失，調節某個參數，重新運行LMI優化程序，就得到新參數 對應的L2控制性能上界，即在數值上建立了 L2控制性能與通信網絡參數之間的關系。第二步進行各個網絡化控制系統L2控制性能與通信網絡參數之間數值關系的 凸性分析及凸性擬合一般閉環系統的L2控制性能單調依賴于單個的通信網絡參數，例如，閉環系統的 采樣速率越慢L2控制性能越差，量化精度越差L2控制性能越差。然而各個網絡化控制系統 的L2控制性能是依賴于多個通信網絡參數的多變量函數，由此基于廣義幾何凸優化方法， 可以處理優化變量的非整數次冪的復雜乘、加項約束，對該函數進行凸性分析，另外對于非 凸函數的情況，在合適的范圍內對L2控制性能進行數值凸性擬合。第三步將共享網絡資源的優化管理問題表述為廣義幾何凸優化問題以各個網絡化控制系統L2控制性能與通信網絡參數之間數值關系的凸性分析及 凸性擬合的結果作為約束，以大規模網絡化控制系統整體性能(即各個網絡化控制系統的 加權L2控制性能)為資源分配目標，將共享網絡資源的優化管理問題表述為廣義幾何凸優 化問題。第四步進行凸優化問題的求解采用凸優化軟件包求取共享網絡資源的優化管理問題的全局最優解，得到最優的 資源分配方案，且使得每個網絡化控制系統穩定并達到優化的L2控制性能，實現大規模工業網絡化控制系統整體最優節能高效運行。
權利要求
1.一種物聯網環境下共享網絡通信帶寬優化管理算法，其特征在于建立各個網絡化 控制系統L2控制性能與通信網絡參數之間的數值關系，基于廣義幾何凸優化方法對該數 值關系進行凸性分析及凸性擬合，并以該數值關系凸性分析及凸性擬合的結果作為約束條 件，以大規模網絡化控制系統整體性能，也就是各個網絡化控制系統的加權L2控制性能， 為資源分配目標，將共享網絡資源的優化管理問題表述為廣義幾何凸優化問題，采用凸優 化軟件包求取優化管理問題的全局最優解，即給出最優的資源分配方案，并實現每個網絡 化控制系統的穩定且達到優化的L2控制性能。
2.根據權利要求1所述的算法，其特征在于所述的通信網絡參數必需包括采樣速率和 量化精度這兩個通信網絡參數。
3.根據權利要求2所述的算法，其特征在于對于不同的工業網絡化控制系統的應用環 境和背景，通信網絡參數的選取會有所不同。
全文摘要
本發明公開了一種物聯網環境下的大規模網絡化工業控制系統的共享網絡通信帶寬優化管理算法，此算法能夠總體上平衡協調各個控制系統的控制精度要求，實現大規模網絡化控制系統的整體最優節能高效運行。算法的實施方案建立各個網絡化控制系統L2控制性能與通信網絡參數之間的數值關系，基于廣義幾何凸優化方法對該數值關系進行凸性分析及凸性擬合，并以此結果作為約束條件，以大規模網絡化控制系統整體性能為資源分配目標，將上述問題表述為廣義幾何凸優化問題，采用凸優化軟件包求取全局最優解，即給出最優的資源分配方案，并實現每個網絡化控制系統的穩定且達到優化的L2控制性能。
文檔編號H04L12/56GK102136953SQ20111010917
公開日2011年7月27日 申請日期2011年4月22日 優先權日2011年4月22日
發明者周麗明 申請人:江南大學