[發明專利]一種通信網絡數據傳輸平穩運行的可靠控制方法

有效

• 申請號: 201911343892.4
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN111030872B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 張俊鋒;楊浩月;丁丹
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: H04L41/14
• 分類號: H04L41/14;H04L41/142
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 孫孟輝

1.一種通信網絡數據傳輸平穩運行的可靠控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1、建立通信網絡數據傳輸過程數據包數量的狀態空間模型，具體方法是：

1.1分析通信網絡數據傳輸動態過程并采集模型數據，建立系統狀態空間模型；

1.2設計馬爾科夫跳變信號及其轉移概率滿足的條件；

步驟2、設計對網絡數據傳輸過程產生影響非線性條件；

步驟3、設計系統期望的增益性能指標；

步驟4、設計通信網絡數據傳輸平穩運行的可靠控制器；

步驟1.1具體如下：

分析該通信網絡數據傳輸過程，建立數據包數量的狀態空間模型如下：

其中x(t)＝[x₁(t),x₂(t),...,x_n(t)]^T∈Rⁿ表示通信網絡數據傳輸的數據包，n代表通信網絡中子網絡的數量；u^f(t)∈R^m表示帶有故障的數據中心發出的數據包數量，m表示數據中心的節點個數；y(t)∈Rⁿ表示數據終端測量到接受的數據包個數，n表示測量輸出傳感器個數；ω(t)∈Rⁿ代表網絡傳輸過程中對的外部擾動輸入，可由外部擾動測量傳感器獲得其值；

非線性函數f(x(t))＝[f₁(x₁(t)),f₂(x₂(t)),…,f_n(x_n(t))]^T∈Rⁿ，和g(x(t))＝[g₁(x₁(t)),g₂(x₂(t)),…,g_n(x_n(t))]^T∈Rⁿ是向量值函數，代表各種外部不確定因素對網絡傳輸數據包的影響；函數sat(u)表示網絡帶寬對網絡數據傳輸的限制，且被定義作sat(u)＝[sat(u₁(t)),sat(u₂(t)),…,sat(u_m(t))]^T；r_t表示一個馬爾科夫跳變過程，取值在一個有限集S＝{1,2,...,J},J∈N⁺內；A(r_t),B(r_t),C(r_t),D(r_t),E(r_t)為已知的系統矩陣；為方便起見，記r_t＝i,i∈S,則它們可被記作A_i,B_i,C_i,D_i,E_i；假設矩陣A_i是Metzler矩陣，B_i≥0,C_i≥0,D_i≥0，E_i≥0；Rⁿ，N⁺，R^n×n分別表示n維向量、正整數和n×n維歐氏矩陣空間；

步驟1.2具體如下：

設計馬爾科夫跳變信號r_t，其轉移概率滿足以下條件：

其中，Δ＞0，隨著Δ趨于0有(o(Δ)/Δ)趨于0；對于每個i∈S,i≠j都有λ_ij＞0且

步驟2具體如下：

給出非線性函數滿足以下條件：

其中x_p∈R，p∈{1，2，…n}，且0＜η₁＜η₂,0＜η₃＜η₄；

步驟3具體如下：

考慮如下性能約束：

其中E{·}表示數學期望，||·||₁代表標準的1范數，即向量元素的絕對值之和；

步驟4具體如下：

4.1設計帶有故障的控制輸入模型為

其中矩陣是未知的故障對角矩陣；s_t是一個取值在有限集Z中的馬爾科夫隨機過程，Z＝{1,2，…,N},N∈N^T；該馬爾科夫隨機過程表示通信網絡數據傳輸過程中發生的故障是變化的并且是隨機的，它的轉移概率滿足：

其中，Δ＞0，隨著Δ趨于0有(o(Δ)/Δ)趨于0；對于每個k∈S,k≠l都有且為方便起見，對于每個k∈Z，記s_t＝k，假設故障矩陣是未知的且滿足：

其中和的是給定的矩陣；

4.2設計控制輸入的飽和函數轉化為凸包形式；對于給定的矩陣K_ik∈R^m×n和F_ik∈R^m×n，sat(K_ikx(t))可被表示為

其中M_iθ,θ＝1,2,…2^m是對角元素全為0或1的矩陣集合M的元素；

4.3設計可靠控制器為

其中K_ik∈R^m×n是將要設計的控制器增益；

4.4設計是將要設計的吸引域增益；構造一個隨機余正李雅普諾夫函數

V(x(t),r_t,s_t)＝x^T(t)v_ik,

其中v_ik∈Rⁿ是n維實數列向量并且列中每個元素都為正數；計算上述李雅普諾夫函數的若無窮小算子：

其中T代表矩陣的轉置；

4.5可得：

為了使通信網絡系統達到提出的增益性能指標，我們提出以下設計方法：

步驟5設計常數β_i＞0,δ_i＞0,γ＞0,和向量ν_ik∈Rⁿ,使得以下不等式

Υ_ik≥0,

對于每一個i∈S,k∈Z,θ＝1,2,…2^m和成立，其中

步驟6、設計步驟1中的系統在步驟4.3中的可靠控制器下是隨機穩定的：

6.1為了設計可靠控制器增益使得通信網絡系統達到期望的性能，根據步驟3計算若無窮小算子滿足：

ΓV(x(t),i,k)＜0；

6.2依據步驟3可獲得以下不等式關系：

然后可得：

ΓV(x(t),i,k)＜-η₄α||x(t)||₁；

6.3此外，通信網絡的外部擾動ω(t)≠0時，可得

進一步，根據步驟5中第五個不等式可得

6.4結合步驟4.5和步驟6.2可推出

根據步驟2和步驟5可知以下不等式成立：

6.5根據步驟5中的條件，考慮可靠控制器中的控制器增益由非負分量和非正分量組成；具體形式如下：

情況一：M_iθ＝0

情況二：M_iθ＝I

情況三：M_iθ≠0,M_iθ≠I

6.6由步驟6.4和6.5可推出以下不等式：

結合步驟4.5與步驟5可得：ΓV(x(t),i,k)＜0；

6.7綜合步驟4.4至步驟6.6可得到通信網絡系統數據傳輸過程可靠控制器增益和吸引域增益，具體形式如下：