[发明专利]一种基于博弈论的网络控制系统调度方法

说明书

技术领域

本发明属于网络控制系统的技术领域，涉及网络资源调度方法，更具体地说，本发明涉及一种基于博弈论的网络控制系统调度方法。

背景技术

随着计算机网络技术广泛地应用于自动控制领域，一种新的网络化、节点智能化、信息综合化、分布式的控制系统——网络控制系统（Networked Control Systems，NCSs）便应运而生了。网络化控制满足了复杂大系统控制和远程控制系统的客观需求，是未来控制系统的发展方向。由于NCSs是由控制和网络组成的系统，其性能不仅依赖于所使用的控制策略，还依赖于网络中信息的调度策略。NCSs的调度是用于规定系统中通过共享通信网络所传送的各种数据的次序和发送时刻以及时间间隔。合理的网络调度能有效避免网络中各信息之间产生冲突和拥塞现象，减小网络诱导时延，降低数据丢包率，进一步改善系统控制性能，提高系统的稳定性。

综合研究现有网络调度的研究成果，从网络层次的角度可分为协议层调度和应用层调度两类：

协议层调度一般是通过特定的网络协议来实现某些调度策略，因而只适用于具有调度数据包功能的网络协议，且算法的灵活性较差。

网络应用层上的调度按其侧重点不同又可具体划分为网络优先级调度与采样周期和采样时刻的调度。网络优先级调度就是规定通过网络连接的各智能节点（控制器节点、传感器节点）发送数据的次序，其虽然与具体的网络协议无关，但是必须在具有优先权的网络（如CAN、DeviceNet等）上实现。考虑到系统的控制性能的优劣直接受到NCSs中各控制回路的采样周期的影响，同时各控制回路的采样时刻也会影响到数据包对网络资源的争用，由此便产生了相关的采样周期和采样时刻的调度策略。基于时间窗口的环路采样时间调度方法是对系统中每个控制回路的采样时间进行调整并应用于周期性服务网络；基于带宽管理的控制回路采样时间调度方法是动态地计算各控制回路的采样周期，采样周期将随状态变量的变化进行实时更新，且其带宽也随即动态更新分配。此外，基于先进控制理论（如模糊控制、预测控制、自适应控制等）的反馈调度方法虽能够使控制系统具有较高的控制性能，但其网络资源利用率往往都较低。

在设计NCSs的资源调度方法时，目前大多数的研究虽然结合了控制效果和共享资源利用情况并在这方面也取得了一定的成果，但是这些成果仍远远不足以解决NCSs在实际应用中存在的问题，因此仍需要结合新的理论知识来探索网络资源调度问题的解决方法。

发明内容

本发明提供一种基于博弈论的网络控制系统调度方法，其目的是合理分配有限的网络资源（如带宽、缓冲区、频带宽度等）。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明所提供的基于博弈论的网络控制系统调度方法，其特征在于：所述的该方法包括如下步骤：

步骤1：根据NCSs调度问题的特性及对NCSs的数学描述，构建NCSs调度方法的非合作博弈模型；

步骤2：根据所述的非合作博弈模型并结合NCSs自身特性和相关的调度参数，确定NCSs中各控制回路的效用函数；

步骤3：寻找最优调度策略，等价于查找博弈模型的Nash均衡点；根据所定义的效用函数，结合Nash均衡存在性的判定条件，分析Nash均衡点的存在性和唯一性；

步骤4：在明确NCSs调度非合作博弈模型存在唯一的Nash均衡点后，运用混合自适应遗传算法求解该Nash均衡点；

步骤5：NCSs中的调度器按照Nash均衡点处的最优调度策略重新为每个控制回路分配网络资源。

本发明采用上述技术方案，不依赖于现有的网络资源调度机制，为网络的服务优化提供了依据；所构建的NCSs调度非合作博弈模型能够很好地反映NCSs中各控制回路的动态运行特征与相互竞争关系；在Nash均衡点处分配网络资源可保证网络资源能够得到充分利用，而且也能够确保各个控制回路之间公平合理的竞争，避免资源分配出现过多或过少的现象，从而在一定程度上提高了网络资源利用率。

附图说明

下面是对本说明书附图作简要说明：

图1为含调度器的网络控制系统一般结构；

图2为Nash均衡的混合自适应遗传算法求解流程。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1、图2所示的本发明的技术方案，为一种基于博弈论的网络控制系统调度方法。 图1给出了网络控制系统的一般结构。