ＥＰＣ物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的Ｈ∞控制問題

摘 要：針對EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在的時(shí)變與不確定性時(shí)延問題，建立了EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制模型，假設(shè)系統(tǒng)中的時(shí)延滿足一定的結(jié)構(gòu)性要求下，研究了EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞控制問題。基于LMI方法，可以很方便地求出狀態(tài)反饋控制器，并可使閉環(huán)系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)性能。數(shù)值算例及仿真結(jié)果證明了所得結(jié)論的有效性。



關(guān)鍵詞：EPC;物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)控制;H∞控制

中圖分類號：TN82 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)09-141-04

H∞ Control of EPC Internet of Things



LIU Yichang，GUAN Xinping

(Institute of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，066004，China)



Abstract：The time varying and uncertain delays are inevitably existed in the EPC Internet of things.The control model is set up for the EPC Internet of things.Based on this model，the H∞ control problems are studied in terms of LMI methods.It is very convenient to obtain the state feedback controller such that the closed loop system has very good dynamic and static performance.Simulation results proved the effectiveness of our result.



Keywords：EPC;Internet of things;networked control;H∞ control

1 引 言

在社會信息化過程中，信息資源劇增，各類信息內(nèi)容爆炸式增長。龐大的信息資源和昂貴的信息成本，使得人們無法獨(dú)立生產(chǎn)所需要的數(shù)據(jù)，必須通過共享來獲取資源和必要的信息，那么如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息交流呢？

1999年由美國麻省理工學(xué)院AutoID中心提出的EPC給人們提供了新的啟迪。人們將按照特定的數(shù)據(jù)格式，將每一件物品賦予一個(gè)惟一的編號，這個(gè)編號就是EPC。而電子標(biāo)簽是這一編號的載體?；诨ヂ?lián)網(wǎng)和射頻技術(shù)的EPC系統(tǒng)，即實(shí)物物聯(lián)網(wǎng)(簡稱物聯(lián)網(wǎng))是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用RFID(射頻識別)、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，構(gòu)造了一個(gè)實(shí)現(xiàn)全球物品信息實(shí)時(shí)共享的“Internet of things”(物品的網(wǎng)絡(luò))。他將成為繼條碼技術(shù)之后，再次變革商品零售結(jié)算、物流配送及產(chǎn)品跟蹤管理模式的一項(xiàng)新技術(shù)^[1] 。

然而，對于這樣一個(gè)龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線路繁多，如果采用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，會使得系統(tǒng)的可靠性大大降低^[4-8]，因而，基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)成為了物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)優(yōu)選的方案。在EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，EPC電子標(biāo)簽將會廣泛存在于系統(tǒng)中的各個(gè)部分，承擔(dān)著各種不同的功能。例如可以作為被控制對象身份的標(biāo)識，可以作為系統(tǒng)狀態(tài)的記錄器，也可以用來記錄系統(tǒng)中的傳感器和控制器的狀態(tài)等。而作為信息采集和寫入操作的執(zhí)行者——閱讀器，也將分布于系統(tǒng)中的各個(gè)部分，完成對EPC電子標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的采集或?qū)懭氩僮?，并將采集到的信息通過互聯(lián)網(wǎng)輸送到需要的地方去。由于信息采集的不準(zhǔn)時(shí)性和互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)膿頂D等現(xiàn)象，系統(tǒng)中不可避免地存在著延時(shí)，因而，針對EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如何設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、高性能的控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)具有穩(wěn)定的性能，是一個(gè)非常重要且亟待解決的問題^[3]。

2 EPC物聯(lián)網(wǎng)簡介

EPC網(wǎng)絡(luò)使用射頻技術(shù)(RFID)實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈中貿(mào)易項(xiàng)信息的真實(shí)可見性。他由五個(gè)基本要素組成:產(chǎn)品電子代碼(EPC)、識別系統(tǒng)(EPC標(biāo)簽和讀寫器)、EPC中間件軟件、對象名解析服務(wù)(ONS)、實(shí)體標(biāo)記語言(PML)以及EPC信息服務(wù)(EPCIS)。EPC編號位于由一片硅芯片和一個(gè)天線組成的標(biāo)簽中，標(biāo)簽附著在商品上。使用射頻技術(shù)，標(biāo)簽將數(shù)字發(fā)送到讀寫器，然后讀寫器將數(shù)字傳到作為對象名解析服務(wù)(ONS)的一臺計(jì)算機(jī)或本地應(yīng)用系統(tǒng)中。ONS告訴計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)中到哪里查找攜帶EPC的物理對象的信息。實(shí)體標(biāo)記語言(PML)是EPC網(wǎng)絡(luò)中的通用語言，他用來定義物理對象的數(shù)據(jù)。EPC中間件是一種軟件技術(shù)，在EPC網(wǎng)絡(luò)中扮演中樞神經(jīng)的角色并負(fù)責(zé)信息的管理和流動，確保現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)不超負(fù)荷運(yùn)作。

EPC系統(tǒng)是一個(gè)非常先進(jìn)的、綜合性的和復(fù)雜的系統(tǒng)，其最終目標(biāo)是為每一中品建立全球的、開放的標(biāo)識標(biāo)準(zhǔn)，他主要包括六個(gè)方面，見表1。

表1 EPC系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)構(gòu)成名稱注釋

全球產(chǎn)品電子代碼的編碼體系EPC編碼標(biāo)準(zhǔn)識別目標(biāo)的特定代碼

射頻識別系統(tǒng)

EPC標(biāo)簽貼在物品之上或內(nèi)嵌在物品之中

閱讀器讀取EPC標(biāo)簽

信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

Savant(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))對象名解析服務(wù)(ONS)

實(shí)體標(biāo)記語言(PML)EPC系統(tǒng)的軟件支持系統(tǒng)



在由EPC標(biāo)簽、讀寫器、Savant服務(wù)器、Internet，ONS服務(wù)器、PML服務(wù)器以及眾多數(shù)據(jù)庫組成的EPC物聯(lián)網(wǎng)中，首先需要給待識別的物品貼上電子標(biāo)簽，然后由讀寫器讀出的EPC碼只是一個(gè)信息參考，該信息經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，傳到ONS服務(wù)器，找到該EPC對應(yīng)的IP地址并獲取該地址存放的相關(guān)的物品信息。而采用分布式Savant軟件系統(tǒng)處理和管理由讀寫器讀取的一連串EPC信息，Savant將EPC傳給ONS，ONS指示Savant到一個(gè)保存著產(chǎn)品文件的PML服務(wù)器查找，該文件可由Savant復(fù)制，因而文件中的產(chǎn)品信息就能傳到供應(yīng)鏈上。其具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 EPC物聯(lián)網(wǎng)工作流程圖

3 RFID技術(shù)在EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用模型

基于射頻識別技術(shù)的EPC物聯(lián)網(wǎng)建立后，由于所有物品均帶上了一張記錄其生、老、病、死的身份證，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將極大豐富，因而，對于一些從前難以建模的系統(tǒng)，將可以很方便地建立系統(tǒng)的模型，尤其是對于時(shí)間周期較長的生態(tài)系統(tǒng)更是如此。例如，我們可以為某些瀕臨滅絕的野生動物貼上電子標(biāo)簽，定期將其健康狀態(tài)、種群數(shù)量增減等各種信息寫入電子標(biāo)簽，并將數(shù)據(jù)存入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫，從而根據(jù)長時(shí)間電子標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)來建模進(jìn)行研究，可以建立科學(xué)的保護(hù)方案。

我們知道，對于一般的生態(tài)系統(tǒng)都可以用微分方程的形式來描述，假設(shè)系統(tǒng)可以用以下狀態(tài)方程來描述^[3]：



(t)=Apx(t)+Bpu(t)+D(t)

z(t)=Cx(t)

(1)



其中，(t)∈Rm1為干擾輸入向量，u(t)∈Rm為控制輸入，z(t)∈Rp為誤差輸出向量，x(t)∈Rn為系統(tǒng)狀態(tài)，Ap和Bp為具有適當(dāng)維數(shù)的已知常數(shù)矩陣。[LL]

圖2 時(shí)滯網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于EPC物聯(lián)網(wǎng)模式下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，信息的采集將更多地通過RFID系統(tǒng)中的閱讀器來進(jìn)行，而作為系統(tǒng)身份證的電子標(biāo)簽，由于一般都具有較大的存儲容量，因而，也可以用來記錄系統(tǒng)中的各種狀態(tài)信息和控制信息等，而信息的傳遞將主要通過Internet網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行。在EPC物聯(lián)網(wǎng)模式下，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于EPC物聯(lián)網(wǎng)模式下的時(shí)滯網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖3可見，對于物聯(lián)網(wǎng)下的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由于互聯(lián)網(wǎng)的阻塞、掉線、傳輸速度慢等種種原因，都可能導(dǎo)致系統(tǒng)在傳輸環(huán)節(jié)上出現(xiàn)滯后。這里假設(shè)系統(tǒng)中傳感器到控制器的滯后時(shí)間為τsck ，控制器到執(zhí)行器的傳輸滯后為τcak ，首先，我們做如下假設(shè)：

定期采集系統(tǒng)狀態(tài)，定期收集標(biāo)簽狀態(tài)的時(shí)間間隔為h；

控制器和執(zhí)行器為事件驅(qū)動，即當(dāng)新的控制或執(zhí)行信號到來時(shí)，由執(zhí)行器和控制器輸出信號自動更新標(biāo)簽狀態(tài)；

總體滯后時(shí)間為τk，且0≤τk  = τsck  + τcak  < h；

τsck 為已知，τcak 為未知，因而總體滯后時(shí)間τk為未知。

根據(jù)以上假設(shè)，將系統(tǒng)離散化，我們可以得到如下模型：

其中A是獨(dú)立于τsck 和τcak 的常數(shù)矩陣，但是B0，1(τk)依賴于系統(tǒng)中的滯后時(shí)間，因而，該系統(tǒng)(式(2))是一個(gè)線性離散的不確定性時(shí)滯系統(tǒng)。假設(shè)系統(tǒng)中的不確定性可寫為如下形式：



B0(τk)=B0+ΔB0(τk)

B1(τk)=B1+ΔB1(τk)



并假設(shè):



［ΔB0(τk)ΔB1(τk)］=HΔk［E0E1］



其中H，E0，E1是適當(dāng)維數(shù)的已知矩陣，且ΔTkΔk≤I。

通過上面的假設(shè)，則可得到如下系統(tǒng)：



xk+1=Axk+(B0+ΔB0)uk+(B1+ΔB1)uk－1+Dkzk=Cxk

(3)



這樣，我們就建立了在物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的控制系統(tǒng)模型。下面將考慮采用何種控制手段，達(dá)到閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。

4 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的H∞控制

針對系統(tǒng)(3)，本節(jié)中考慮針對此系統(tǒng)的H∞控制問題。首先，我們引入如下定義。

[HTH]定義[STHZ]1[STBZ][HTSS]^[3] 當(dāng)ω≠0時(shí)，若存在控制律uk=Kxk使得系統(tǒng)(3)漸近穩(wěn)定，且:



‖Gzw‖<γ

(4)



則我們稱系統(tǒng)(3)是具有H∞范數(shù)界γ魯棒鎮(zhèn)定的。式(4)中，Gzw是閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣且:



Gz(z)=C［zIn－A－B0K－ΔB0K－

(B1+ΔB1)Kz－1］－1D

(5)

二次穩(wěn)定且滿足H∞范數(shù)界γ。

我們有如下結(jié)論：

[HTH]定理[STHZ]1[STBZ][HTSS] 假設(shè)存在矩陣X>0，R>0，Y及常數(shù)ε>0，滿足以下LMI：



X-γ-2DDT-εHHT AX + B0 Y B1 Y 0 0(AX + B0 Y)T X-R 0 XCT YTET0 YTBT1  0 R 0 YTET1 0 CX 0 I 00 E0 Y E1 Y 0 εI > 0

(8)



則系統(tǒng)(3)是具有H∞范數(shù)界γ魯棒鎮(zhèn)定的。且H∞控制律可構(gòu)造為:



uk=YX－1xk

(9)



證明：考慮以下矩陣不等式:



P-1-Ad R-11 ATd -γ-2DDT Ac ATc  P-R1 -CTC > 0

(10)



其中P與R1為對稱正定矩陣。

首先證明當(dāng)不等式(10)成立時(shí)，式(4)成立。

根據(jù)引理1，由式(10)可得:



P-1-γ-2DDT Ac  + Ad z-1ATc  + ATd z P-CTC > 0

(11)



對上式應(yīng)用Schur補(bǔ)定理，可得:

再次利用Schur定理，則式(23)等價(jià)于LMI(8)。

證畢。

5 物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)例分析

針對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型：



(t)=Apx(t)+Bpu(t)+D(t)z(t)=Cx(t)



其參數(shù)為:



Ap=－0.52－200，Bp=0.51，

C=01T，D=0.80.2



其中電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)采集周期為h=05 s。假設(shè)系統(tǒng)中的傳輸滯后時(shí)間是時(shí)變且不確定的。且τscmax≤12h。則將系統(tǒng)用電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)采樣周期離散化，可得如下參數(shù)：



A=0778 82718 3010，B0=－0000 20794 9，

B1=0000 20508 9，C=01，D=0.80.2



設(shè)不確定性系數(shù)陣為：



H=05，E0=－0.03－0.05，

E1=0.010.03，



則由定理1可得:



γ=0836 7，ε=0069 3，K=［－0013 2－1293 6］



運(yùn)用Matlab對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從仿真圖圖4可看出，閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)漸近穩(wěn)定。

圖4 閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)曲線

6 結(jié) 語

本文首次針對EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中存在的時(shí)延問題，建立了其閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型，并將系統(tǒng)中的時(shí)延轉(zhuǎn)化為系數(shù)矩陣的不確定性，利用基于LMI的H∞控制方法，設(shè)計(jì)了狀態(tài)反饋控制器，使得閉環(huán)系統(tǒng)不但可二次穩(wěn)定，還可以抑制一定的干擾。本文所提出的方法具有較強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)性，將對EPC物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用起到一定的積極作用。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 劉奕昌 男，1976年出生，博士研究生。主要從事RFID技術(shù)研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。