（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统中控制与调度协同设计方法研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文网络控制系统中控制与调度协同设计方法研究 摘要 本文是以国家自然科学基金资助项目“实时网络控制系统中控制与调度协同设 计”为研究背景展开的。目前，网络控制系统已成为国际学术界研究的一个热点。本 文主要对网络控制系统的调度方法以及控制与调度协同设计方法进行研究。 首先，对工业中常用的三种控制网络( 以太网、控制网和设备网) 的介质访问控 制( m a c ) 协议进行详细分析，并对三种控制网络进行分析比较。 其次，对网络控制系统的调度方法进行分析。在搭建的仿真平台上对r m 和e d f 调度算法在网络传输速率不同的情况下分别进行仿真比较，验证了它们各自的特点； 对基于死区的调度方法进行分析，通过仿夷验证该方法能够很好地提高网络控制系统 的性能。 最后，对网络控制系统中控制与调度协同设计方法进行重点研究。对采样周期对 网络控制系统性能的影响进行分析并通过仿真验证：对基于r m 调度的协同设计方法 进行研究，通过仿真验证该方法既能提高网络控制系统的控制性能，又能提高网络资 源的利用率；对基于时间窗口的网络带宽分配算法进行研究，通过仿真验证该方法的 有效性。 关键词t网络控制系统r m 算法e d f 算法调度协同设计 南京理工大学硕士学位论文 网络控制系统中控制与调度协同设计方法研究 a b s t r a c t t 1 1 ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ep r o j e c t c o n t r o la n ds c h e d u l i n gc o - d e s i g no f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s f u n d e db yt h en a t i o n a ls c i e i l c ef o u n d a t i o n n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) i sap r o d u c tt h a tc o m b i n ec o n t r o ls c i e n c e , c o m p u t e rn e t w o r ka n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n di th a sb e e nn o t i c e dh o t l yi nr e c e n ty e a r s a n dt h e nt h e m e t h o d so fs c h e d u l i n g 。c o n t r o la n di c h e d u l i n gc o - d e s i g ni nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r e s t u d i e di nt h i sp a p e r f w s t l y , e t h e r n e t , c o n t r o l n c ta n dd e v i c e n e ta r ct h r e ec o m m o nk i n d so fn e t w o r k s u s e di l li n d u s t r y i nt h i sp a 巩t h e s et h r e ek i n d so fn e t w o r k sa l ec o m p a r e d ，a n dt h e i r m e d i n ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o l sa r ea n a l y z e di nd e t a i l 。 s e c o n d l y , s c h e d u l i n gm e t h o d so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sa r cr e s e a r c h e d r m s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n de d fs c h e d u l i n ga l g o r i t h ma r es i m u l a t e da n dc o m p a r e di n d i f f e r e n tn e t w o r kw a n s m i s s i o ns p e e d so ng i v e ns i m u l a t i o np l a t f o r m so fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s a n dt h er c s u r sp r o v et h e i rc h a r a c t e r i s t i c ss e p a r a t e l y d u r i n gt h es t u d yo f d e a d b a n d ss c h e d u l i n g , t h es i m u l a t i o n sp r o v et h a tt h em e t h o do fd e a d b a n d ss c h e d u l i n gc a n i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c e sv e r yw e l l f i n a l l y ，t h em e t h o d sa b o u tc o n t r o la n ds c h e d u l i n gc o d e s i g no fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m sa l es t u d i e d t h ee f f e c to np e d 研m 卸c e so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sp r o d u c e db y s a m p l ep e 五o di sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d a n dt h r o u g ht h es t u d yo fc o - d e s i g nm e t h o db a s e d r m s c h e d u l i n g ，t h es i m u l a t i o n sp r o v et h a tt h i sm e t h o dn o to n l yc a ni m p r o v et h ec o n t r o l p e r f o r m a n c eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，b u ta l s oc a ne n h a n c eu s i n gr a t eo fn e t w o r k l e s o u r c e a tl a s tt h en e t w o r kb a n d w i d t ha l l o c a t i o na 1 9 0 r i 血mb a s e do nt i m ew i n d o w si s s m d i e da n ds i m u l a t e d k e y w o r d s ： n c sr me d f s c h e d u l i n g c o - d e s i g n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 。 研究生签名：王圭刍细6 年7 月j 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：撕年7 月j 日 南京理工大学硕士学位论文 同络控制系统中控制与调度协同设计方法研究 1 绪论 1 1 论文研究的背景 随着控制科学、计算机网络及通信技术的目益发展和交叉渗透，控制系统结构 越来越复杂，空间分布越来越广泛，对系统的性能要求越来越高，这给自动化技术 的发展带来了新的机遇和挑战。目前，远程遥操作、遥医学、远程教学、无线网络 机器人、某些兵器系统以及新兴韵现场总线和工业以太网技术等在本质上都可归结 为基于网络的控制系统，或者称为网络控制系纠”( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ， n c s ) ，即利用专用或公用数据通信网络代替传统的点对点连接的闭环控制系统。髑 络控制系统的出现打破了传统控制系统在空间物理位置上的限制，拓宽了控制活动 的场所，降低了系统的连接复杂性、降低了运行成本和维护费用，便于实现管控一 体化，也提高了系统信息集成度。网络环境下的控制系统不仅可以应用于复杂的工 业控制领域，而且在兵器系统、机器人工业、航空及航天领域也极具潜力。因此， 近年来国内外研究工作者针对网络控制系统的研究给予了极大关注。在国内控制界， 网络环境下的控制概念直到近年来才被接受，所以本课题的研究具有一些积极和重 要的意义 网络给控制系统带来若干优点的同时，也使得网络控制系统的分析与设计变得更 加复杂和困难。网络控制系统的复杂性是由网络自身特点造成的，主要在于：( 1 ) 网 络环境下多用户共享通信线路且流量变化不规则；( 2 ) 传输数据流经众多计算机和通 信设备且路径不唯一；( 3 ) 数据包在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致时 序错乱、数据包丢失因此，网络中传输的信息是处在一个动态不确定时变环境中。 由于网络中信息流存在非线性动力学特性，网络作为闭环反馈控制系统的一部分和非 线性被控对象组成的闭环控制系统是一不确定的复杂非线性系统，这对基于网络环境 下的控制系统提出了严峻的挑战。 本课题获国家自然科学基金项目资助1 2 1 。网络控制是控制科学和计算机网络的交 叉，传统的控制理论和方法由于网络的引入而被赋予了新的含义和内容，本文主要内 容集中于网络控制系统中控制与调度协同设计方法研究。 1 2 计算机控制系统的发展 计算机控制系统韵发展至今先后主要经历了以下几个阶段网：传统的集中式控制 系统，七十年代中期发展起来的集数控制系统( d c s ) ，八十年代末发展起来韵现场 总线控制系统( f c s ) 以及九十年代发展起来的基于以太网的控制系统。 第1 章绪论 硕士论文 图1 2 1 集中式控制系统结构固 传统的集中式控制系统的结构如图1 2 1 所示。这种系统一般采用一个中央控制 单元( c p u ) 完成控制计算、信息处理等所有工作，控制器和对象之间的连接采用的 是点对点的连接方式。这种过于集中的控制对于中央控制单元的要求很高，当系统任 务增加时，控制器的效率和可靠性急剧下降。因此，产生了集散控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 来代替集中式控制系统，d c s 的结构图如图1 2 2 所示。 图1 2 2d c s 的结构图 d c s 的核，t l , 思想是分散控制、集中监控操作。在这种分层控制系统中，对各个 现场设备的控制任务由现场级的控制单元( 如工控机，p l c ，单片机等) 完成，总体 的控制任务和操作监视等其他任务由中央控制单元完成，从而实现了控制功能和管理 信息的分离。d c s 的出现克服了集中式控制系统可靠性比较低的缺陷。然而，d c s 的控制功能分散化不够彻底，随着现场设备的增加，系统布线十分复杂，成本也大大 提高，同时系统的抗干扰性差、灵活性不够、扩展不方便等。为了从根本上解决这些 问题，新型的分布式控制系统现场总线控制系统( f c s ) 应运而生，如图1 2 3 所示。 2 南京理工大学硕士学位论文网络控制系统中控制与调度协同设计方法研究 2 2 串行阐 计算机( 控制器) l 计算机( 控制器) l 络 图1 2 3f c s 的结构图 现场总线是连接智能化现场设备和控制自动化系统的数字式、全分布、双向传输 以及多分支结构的通信网络【4 1 这种控制系统主要特点为采用分布式智能现场设备， 现场设备与通信介质直接连接，采用开放式系统和现场设备互连，一般采用总线型拓 扑结构。现场总线技术把各个分散的控制设备变成网络的节点，以现场总线为纽带， 把它们联接成可以互相沟通信息，并共同完成控制任务的网络系统和控制系统，把控 制功能彻底下放到现场，依靠现场设备本身便可实现基本控制功能，实现了智能控制 下移到设备的目标。现场总线发展迅速，目前国际上有四十多种现场总线，其中最有 影响力的有五种，分别为f f ，p r o f i b u s ，h a r t ，c a n 和l o n w o r k s 现场总线。 现场总线控制系统正成为未来新型工业控制系统的发展方向之一。但就目前情况 看，现场总线技术的发展还存在许多问题，最主要的问题就是没有一个统一的国际标 准，由于不同现场总线的通信协议之间有很大差异，要实现不同现场总线的产品之间 的互连非常困难，若想在近期建立一个统一的现场总线标准是非常困难的。这不但使 f c s 的开放性、分布性和可互操作性等特点难以体现，而且给用户的使用也带来很大 的不便，这一系列问题的存在给现场总线技术的推广与现场总线控制系统的应用带来 不利的影响。 随着以太网技术的发展，如何把以太网应用到工业领域，己经成为工业控制和实 时通信研究的热点。作为世界上应用最为广泛的网络协议，它将成为过程级和控制级 的主要传输技术。带t c p i p 标准协议的以太网接1 ：3 ，现在在智能设备中开始得到应 用。它能够与工厂信息管理系统进行直接无缝的连接，并且无需任何专用设备。因此， 工业以太网的使用将构建从底层的现场设备到控制层以及企业管理决策层的综合自 动化网络平台。但由于以太网存在不确定性以及实时性、可靠性欠佳等缺点，再加上 工业以太网韵研究剐剐起步，要解决的问题还很多。 从整体上看，计算机控制系统己呈现出向网络化、集成化、节点智能化、分布化 的发展趋势例如d c s ( 集散控制系统) ，尽管它开放性欠佳，控制功能也相对集中， 但它适应了一部分现场控制的需要，表现出网络化的结构特性，而现场总线控制系统 f c s 和工业以太网，从一开始便顺应了这一趋势，是完全网络化、分布化的控制系统。 3 第1 章绪论硕士论文 1 3 两络控制系统中的调度问题 在网络控制系统中，控制回路的性能不仅依赖于控制算法的设计，还依赖于网络 资源的调度，尤其在网络资源十分有限的条件下，对网络控制系统进行实时性调度分 析显得尤为重要。网络调度问题就是网络中的各节点在共享的网络传输介质中发送数 据包时，规定数据包以多高的优先级( 顺序) 和何时发送数据包的问题。 为了保证控制系统的稳定性、实时性，各个被控对象都要以一定的传输速率传输 采样数据和控制数据。多个被控对象共享网络资源，这就导致了来自多个被控对象韵 数据同时访问网络而产生共享冲突的问题。网络调度就是为了解决各个被控对象韵数 据传输时同时访问网络而产生的冲突问题，对各个被控对象的网络资源的需求尽可能 合理地分配，使得整个网络控制系统能够达到期望的性能要求。 研究网络控制系统的调度的目的是使用适当的调度算法使得网络环节对控制系 统的性能影响减小。从网络层次来看，网络控制系统的调度方法可以分为两类：网络 底层的调度和应用层的调度。网络底层调度其过程是数据链路层通过一个链路活动调 度器控制网络中各个现场设备对网络传输介质的访问，通常是网络接口设备按照特定 的协议规范来决定那些并发数据包的发送顺序。网络底层调度是通过制定特定的网络 协议来实现某些调度算法的，因而调度缺乏灵活性，只能适应少数算法。另外，并不 是所有的网络协议都有调度数据包的功能，如以太网就不能对将要发送的数据包进行 调度。应用层的调度是上层的应用程序根据需要而主动地决策数据的发送规则，该规 则和具体的网络协议无关。对于应用层调度来说网络的作用仅仅是用于传输数据，而 不能实现调度决策。应用层的调度还可以调度网络控制系统中各控制环的采样周期和 采样时刻，以尽量避免网络中数据冲突现象的发生，从而最大限度地减少数据的传输 时延。 本文主要对应用层的调度进行讨论，对于应用层调度的研究主要是通过搭建一个 多个对象的网络控制系统，然后综合考虑控制与调度以提高系统佳能，研究如何在应 用层实现对网络控制系统中各个对象之问的调度问题。 1 4 控制与调度协同设计的意义 网络控制系统是由网络和控制组成的控制系统，其闭环性能不仅依赖于控制算法 的设计，还依赖于对网络资源的合理调度。目前大多数研究集中于以下两个方面嘲： 传输协议与调度策略的设计，控制器的设计。合适的传输协议和调度策略可以保证网 络的服务质量( q o s ，q u a l i t y o f s e r v i c e ) ，而先进的控制器设计是为了保证控制韵品质 ( q o p ，q u e r y o f p e r f o r m a n c e ) 。由于弼络和控制两方面存在着相互影响、相互制约的 内在联系，因而在网络控制系统中有必要同时考虑网络和控制的参数，以保证网络韵 4 南京理工大学硕士学位论文网绍控制系统中控制与调度协嗣设计方法研究 q o s 和控制的q o p 同时也应该注意到，即使能达到网络的q o s ，也不一定能保证控 制的q o p ，解决上述闽题应该考虑控制与调度协同设计，以保证网络的服务质量和控 制的品质。目前，针对这一问题的研究还处于刚刚起步阶段。 从q o p 角度出发的控制策略忽略了网络复杂的动态行为，简单地将网络对系统 性能的影响抽象为具有各种不同特性的时延、丢包等因素，侧重于网络控制系统中控 制系统稳定性的保证和动态性能的提高；从q o s 角度出发的调度策略侧重于保证网 络时延的有界性、数据传输的安全可靠性和网络资源利用率的提高，而将控制系统的 性能要求简单地抽象为数据传输韵实时性、可靠性要求，欠缺对网络控制系统控制性 能确切影响的研究。这两种策略割裂了彼此的联系而无法保证系统良好的总体性能。 从兼顾q o p 和q o s 的角度出发的综合控制与调度的研究策略将网络运行性能、网络 资源限制等更多的网络因素融入控制系统设计和性能优化中，在控制系统设计的同时 考虑网络实现的问题，将有利于系统的总体性能优化。 典型的实时控制系统设计分两步进行，即设计好调度器后再设计控制器。这样往 往导致系统的控制性能不好，资源利用率偏低等结果。本文将研究网络控制系统中控 制与调度协同设计，综合优化算法以解决网络控制系统性能和网络资源合理使用的矛 盾，最终目标是提高控制系统性能和网络资源的利用率，即在有限的资源条件下得到 最好的控制性能。 。 在控制与调度协同设计的框架下，设计控制策略时必须考虑共享网络资源的合理 利用，设计调度算法时也应顾及到控制系统的性能，其目的是使系统控制性能和共享 资源调度性能取得一个折衷的效果。网络控制系统中控制与调度协同设计方法的基本 思想就是在协同考虑控制系统的性能与共享网络资源的调度性能的基础上，设计系统 的调度方法和控制策略。 1 5 研究现状 针对网络控制系统的研究，开始于上个世纪九十年代。r a y a 等人研究的集成通 信控制系统( i n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o na n d c o n t r o l s y s t e m s ，简写为i c c s ) 中提出了 网络控制系统的初步概念，在此后的十几年中，网络控制系统受到越来越多的学者关 注，并成为学术界的一个研究热门。关于网络控制系统的研究主要有两条途径：其一 是通过设计通信协议和调度策略，尽可能减少网络诱导时延和数据包丢失的可能，提 高网络控制系统的性能；其二是把网络与通信协议作为已知条件，考虑网络诱导时延、 数据包丢失等因素，设计控制策略，保证系统的性能。目前，将两条基本研究途径互 相交叉，即控制与调度协同设计研究成为研究热点并受到越来越多研究学者的重视。 到目前为止，网络控制系统的研究已取得了一系列的研究成果，其中包括网络诱 导时延，数据包丢失，多包传输，网络调度方法以及控制与调度协伺设计方法等。由 s 第1 章绪论 硕士论文 于本文内容主要集中于网络控制系统中控制与调度协同设计，所以下面主要介绍网络 控制系统的调度以及控制与调度协同设计韵研究现状 1 5 1 网络控制系统婀调度研究现状 一 研究网络控制系统的调度目的是改善网络的传输情况，减少冲突、阻塞等不利因 素的发生，从而减小网络诱导时延，减少数据包丢失的发生，对于改善网络控制系统 的性能具有重要的意义。 1 9 7 3 年，美国学者l j u 和l a y i a r i d 【5 1 针对实耐系统提出了两种基于优先级的调度 算法：e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ( e d f ) 调度算法和r a t e m o n o t o n i c ( 褂田调度算法。w c i z h a n g 【l l 对r m 调度算法进行了改进，提出了面向非抢优任务的r m 调度算法，并给 出了可调度的条件，使得r m 调度算法可应用于网络控制系统。 w a l s h 6 l 等人提出了m e f - t o d ：m a x i m u m - e r r o r - f t r s tw i t ht r y - o n c e - d i s c a r d 动态调 度方法，m e f 意味着误差最大、最重要的节点首先获取网络存取权，并发送数据。 而t o d 意思是如果由于某种原因导致数据包不能够及时到达，则将数据丢弃，并不 重发，而在下个周期发送一个最新的数据。并给出了系统在此协议下能保证指数渐近 稳定的数据最大传输间隔( m a l l ：m a x i m u m a l l o w a b l et r a n s f e ri n t e r v a l ) ，这种情况下 控制器的设计没有考虑网络的存在和期望的特性。文献【7 】进一步完善了文献【6 】中的 动态调度方法。文献【8 】采用了文献【6 】中的动态调度方法，所不同的是设计控制器时 考虑了网络的存在，并分析了网络对闭环系统的影响。文献【9 ，l o 将文献【6 】中的调 度策略推广到非线性网络控制系统中，研究了非线性网络控制系统的指数稳定性。文 献【1 1 】对文献【6 1 提出的动态调度策略( m e f - - t o d ) 进行了改进，提出了多种误差编 码算法，借助误差编码可以利用有限字长标识节点的优先级，文中给出了各种误差编 码算法下，网络诱导误差的上界以及系统的指数稳定性条件。 go t a n e z t l 2 l 提出了一种基于死区的调度方法，其主要思想为给每个节点定义网络 诱导误差的死区，当节点的网络诱导误差位于死区内时，该节点不传输数据，否则立 即传输，文中还通过实验方法研究了兼顾网络利用率与跟踪性能，死区参数设置优化 问题。文献【1 3 】研究了使得基于同一网络的多个闭环系统同时稳定的调度算法，该算 法基于网络应用层，主要目的是确定各系统的采样周期及其信息的优先级，文中提出 了网络可调度的概念，并将c p u 调度和网络调度进行了比较。c h e n y a n gl u t l 4 1 5 蝈等 人提出了反馈控制实时调度算法解决了部分问题，但是还不能应用于分布式的网络控 制系统中，在分布式环境中反馈信息的获取及同步的途径还是一个亟待解决的问题， 但反馈调度的思想是值得借鉴的。 1 5 2 控铜与调度协同设计研究现状 s e r e t l 刀在1 9 9 6 年率先提出了控制器和实时调度的协同设计方法，从控制性能的 6 南京理工大学硕士学位论文网络控制系统中控制与调度协同设计方法研究 角度出发，讨论了当采样周期在期望值和有限的共享c p o 资源约束条件下如何获得 最优采样周期的方法，即在所有任务都可调度的前提下，通过优化采样频率提高系统 的性能，但没有考虑执行时间的变化与扰动问题。a n t o nc e r v i n 堪在文献【1 7 】的基础 上，考虑了具有肘延变化的控制系统采样周期的选择问题，对低于一个采样周期的时 延系统进行了分析，但文献 1 7 ，1 8 】中的控制与调度集成研究都是针对单处理器系统 的。f e n g - l iu a n 1 9 对具有网络结构的控制系统的性能进行了分析，给出了保证控制性 能品质( q o p ) 和网络服务质量( q o s ) 的设计策略，对导致系统不稳定韵临界点进行了数 学分析，但没有给出网络调度方法。 瑞典l u r i d 工学院a n t o nc e r v i n ，j o h a ne k e r 等人从1 9 9 9 年开始对控制与调度协 同设计问题进行了大量的研究，并设计出了在m a n 曲环境下进行仿真的工具箱 疆脚】 h o n g t 2 2 1 提出了一种通过调度采样时间来减少时延的影响并提高网络利用率的调度算 法，建立了网络控制系统性能与网络性能间的约束关系。该算法给共享同一网络通信 介质的每个控制回路合理选择采样周期，保证网络时延不会影响控制性能，同时系统 仍能保持稳定。但该算法是基于令牌环系统( t o k e np a s s i n gs y s t e m s ) 和轮循系统( p o r i n g s y s t e m s ) t 拘- - 维对象的调度，系统中信息类型仅限于周期性信息。后来，h o n g 将该算 法应用到c a n 网中圆。s p a r k t 2 4 l 在文献 2 2 1 基础上，提出了适用于多维对象的采样 时间调度算法。 a n t o nc e r v i n t 捌提出了控制服务器方法，该方法特别适合于实时控制系统的控制 与调度协同设计。s b r a n i c k y i 蛔对基于网络控制系统的控制与网络调度协同设计进行 了研究，并将c p u 调度中的r m 算法推广到n c s 的调度中，对网络传输时间进行了 分配，给出了网络调度优化方法，但系统采用传输相对误差作为n c s 的性能优化指 标，不能够反映n c s 的整体性能。但是仅用于有优先权分配功能的网络如c a n ， d e v i c e n e t 等，且要求每个子控制系统的传输时延已知和最大允许时延已知。 t i p s u w a n l 2 7 】提出了根据当前网络的q o s ( 如网络的吞吐率，网络时延) 状况决定 控制系统采样周期，并通过调节控制器增益以获得可能的最优系统性能的方法。m v e l a s c o t2 9 l 提出了基于控制对象的状态信息在线调节各控制回路中各控制任务的采样 周期或带宽，优化整个控制系统的性能，真正实现了控制与调度协罚设计，但综合对 象状态和调度算法在内的系统为一复杂的非线性系统，比较难分析 1 6 本文的主要工作和内容安掉 本文首先对工业中常用韵三种控制网络( 以太网、控制网和设备网) 的介质访问 控制( m a c ) 坍议进行了详细分析，并对三种控制网络进行了分析比较，这为本文 的研究以及仿真中选择的网络类型作了铺垫；其次对网络控制系统的r m 调度算法、 e d f 调度算法以及基于死区的调度方法进行了分析，并使用t m e t l n 世仿真工具箱在 7 第1 章绪论硕士论文 m a d a b 平台上搭建了一个由四个独立的控制系统组成的网络控制系统，并在网络控制 系统的应用层上对r m 调度算法、e d f 调度算法以及基于死区的调度方法进行了仿 真研究；最后，重点对基于r m 调度的协同设计方法以及基于时间窗口韵网络带宽分 配算法进行了研究。 本文各章内容组织如下： 第l 章介绍了本课题的研究背景，计算机控制系统的发展历程，饲络控制系统中 的调度问题，控制与调度协同设计的意义，最后综述了网络控制系统的调度以及控制 与调度协同设计研究现状。 第2 章首先对网络控制系统进行了概述；其次对网络控制系统中的网络诱导时 延、单包传输和多包传输、数据包的时序错乱、数据包丢失以及节点的驱动方式这些 基本问题进行了介绍；最后对工业中常用的三种控制网络( 以太网、控制网和设备网) 的介质访问控制( m a c ) 协议进行了详细分析，并对三种控制网络进行了分析比较。 第3 章首先对网络控制系统的调度进行了概述；其次对r m 调度算法和e d f 调 度算法进行了分析；接着对t r u e t i m e 仿真工具箱进行了介绍；然后使用t r u e t i m e 工 具箱在m a 吐a b 平台上搭建了一个由四个独立的控制系统组成的网络控制系统，并在 网络控制系统的应用层上对r m 和e d f 调度算法进行了仿真比较；最后对基于死区 的调度方法进行了分析，并在仿真平台上对使用基于死区的调度方法前后的系统性能 进行了比较。 第4 章首先对采样周期对网络控制系统性能的影响进行了分析并通过仿真进行 验证；其次重点对基于r a m 调度的协同设计方法进行了研究，即基于r m 调度算法在 满足系统稳定性和网络的可调度性双重约束条件下，求取使网络控制系统动态性能达 到最优的采样周期，并进行了仿真研究：最后重点对基于时间窗口的网络带宽分配算 法进行了研究，并进行仿真验证。 第5 章对全文工作进行总结，同时对本课题的进一步研究工作进行了展望。 南京理工大学硕士学位论文 髑络控翩系统中控制与调度协同设计方法研究 2 网络控制系统简介 在闭环控制系统中由于网络韵引入，使得网络控制系统在具备多重优点的同时， 也给控制系统带来了许多新的问题，本章对网络诱导时延、单包传输和多包传输、数 据包的时序错乱、数据包丢失以及节点的驱动方式这些基本问题进行了介绍。另外， 网络类型对网络控制系统的性能有着重要影响，因此对工业中常用的三种控制网络 ( 以太网、控制网和设备网) 的介质访问控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议进 行了详细分析，并对三种控制网络进行了分析比较。 2 1 网络控制系统概述 传统意义上研究的控制系统是点对点连接的控制系统，其结构框图如图2 i i 所 示，也就是说，控制器和被控对象之间的连接采用专线。 图2 1 1 点对点连接的控制系统结构框图 网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，又称为网络化的控制系统，即 在网络环境下实现的控制系统。具体地说，n c s 是指在某个区域内一些现场检测、 控制及操作设备和通信线路的集合，用以提高设备之间的数据传输，使该区域内不同 地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。 n c s 中的网络是一个广义的范畴，包含了f - c s 、工业以太网、无线通信网络、 甚至i n t e r n e t ，这也是与网络技术的发展相适应的。视其回路中所嵌入的网络结构的 不同可以将其大致分为广义网络控制系统和狭义网络控制系统。一般认为通过f - c s 和工业以太网等组成的网络控制系统是狭义的网络控制系统，而由通用计算机网络比 如计算机广域网、i n t e r n e t 等网络组成的控制系统则被视为广义的网络控制系统。 网络控制系统中，传感器、控制器、执行器等都通过共用的通讯介质如总线相连， 各部分之间可以实现点对点韵对等通讯。将通信网络引入控制系统，连接智能现场设 备和自动化系统，实现了现场设备控制的分布化和网络化，这种网络化钧控制模式的 主要优点是：信息资源能够共享，可以实现远程操作与控制，具有较高韵诊断能力， 连接线路大大减少、易于扩展、易于维护、高效率、高可靠性、灵活、节省费用 网络控制系统的特点是信息( 参考输入、对象输出和控制输入等) 在控制系统各 9 第2 章网络控制系统简介硕士论文 部件间( 传感器、控制器和执行器等) 通过网络进行传输。 图2 t 2 网络控制系统结构框图 网络控制系统的结构框图如图2 1 2 所示，从图中可以看出网络控制系统是由许 多控制器和被控对象组成的控制系统集，它们通过网络连接在起其中一对控制器 和被控对象的结构框图如图2 1 3 所示。 一。o ；网络通道i 图2 1 3 一对控制器和被控对象结构框图 网络控制系统可以分为远程和局域网控制系统，远程网络控制系统的优点是实现 遥操作、遥医学、远程教学和试验，典型的应用包括基于天际网络空间实验室的遥操 作机器人以及远程外科手术等；局域网络控制系统的优点是减少了系统的连线，使系 统容易诊断和维护，增强系统的灵活性，典型应用包括网络家电、蓝牙技术、无线办 公系统和计算机集成制造系统等。 2 2 网络诱导时延 在网络环境下，由于多个用户共享通讯线路且流量变化不规则，所以在网络控制 系统中，传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时必然会导致网络诱导时延，从 而会降低系统的性能，使得控制系统的相位滞后，甚至引起系统的不稳定。 网络诱导时延主要包括传感器一控制器时延f 。和控制器一执行器时延乇，不管 对传感器控制器时延还是控制器执行器时延而言，都可以分为三部纠捌，即源节 点时延、网络通道中的时延和目标节点对延。源节点时延和目标节点时延称为器件时 延，在网络通道中产生的时延称为通道对延。通道时延主要受网络韵通信状况、网络 传输速率以及传送距离的影响，这一部分时延对整个网络控制系统韵控制性能影响最 大 一般情况下，网络诱导时延是时变不确定的，可能大于一个采样周期，也可能小 于一个采样周期。如果网络诱导时延小于一个采样周期，则称这样的网络诱导时延为 南京理工大学硕士学位论文 网络控制系统中控制与调度协同设计方法研究 短时延。如果网络诱导时延大于一个采样周期，则称这样豹网络诱导时延为长时延。 时延的长短主要是依据时延的上界区分，对于长时延的情况，在某些对段内也可能出 现时延小于一个采样周期的情形。 根据不同的网络协议，网络诱导时延可以看作多种不同性质的时延( 常数、有界、 随机时变等) 。网络诱导时延的存在使得网络控制系统的分析变得非常复杂，对整个 系统的性能和稳定性有着很大影响，所以在网络控制系统的研究中必须对其加以考 虑。 2 3 单包传输和多包传输 以数据包形式传输信息是网络控制系统区别于传统控制系统的主要特点，网络控 制系统中的数据包传输主要分为单包传输和多包传输。单包传输是指在网络控制系统 中传感器、控制器以及其他系统部件的待发数据都被封装在一个数据包中一起发送。 而多包传输是指传感器、控制器以及其他系统部件的待发数据被分成多个数据包，分 时发送 在网络控制系统中进行多包传输，一方面是因为单包字节大小的限制，一个数据 包只能装载有限的信息；另一方面是因为网络控制系统中的传感器、控制器以及执行 器等网络节点常常分布在一个很大的物理空间，要将这些数据放在一个数据包中往往 是不可能的。传统的采样控制系统都是假设被控对象的输出和控制输入是同时传递 的，而这在具有多包传输的网络控制系统中这种情况已不再成立因为在多包传输过 程中由于一个数据要分成多个数据包多次进行传输，这些数据不可能同时传递，也不 可能同时到达。 在网络控制系统中，采用单包传输还是多包传输方式应根据被控对象和网络的实 际情况决定。一般来说，以太网适合于传输大批量的数据，因为它的一个数据包中最 多可容纳1 5 0 0 字节的数据，因此，以太网更适合于单包传输方式。而一些工业现场 总线如c a n 总线适合于对控制数据的快速传输，因为其在一个数据包中最大可容纳 8 字节的数据，因此经常需要采用多包传输。 2 4 数据包的时序错乱 在网络环境下，传输的数据流经众多计算机和通讯中转设备且传输路径不一，这 些情况会导致那些被传输韵数据包的时序产生错乱。在网络控制系统中，数据包的时 序错乱又分为两种情况： 。 ( 1 ) 单包情况下，每包数据就是一完整的数据，此时的数据包的时序错乱是指 原来有一定先后次序的多个完整的数据在从源节点发到目标节点时，其到达的时序与 原来的时序不同 1 | 第2 章两络控制系统简介硕士论文 ( 2 ) 多包情况下，一个数据被分成多个数据包进行传输，当这些数据包从源节点 到达目标节点对，其到达的时序与原来的时序不同。 以上两种情况对系统稳定性和性能的影响也不相同，在网络控制系统的设计和分 析时应分别对待。 2 5 数据包丢失 网络控制系统中，造成数据包丢失的原因是多方面的【l l ，比如网络的阻塞和连接 中断以及节点竞争数据发送权的失败等一些意外情况都会导致数据包的丢失。此外， 数据包在网络传输过程中可能会由于错误而被要求重发，如果某节点的数据包在规定 的重发时间内仍然没有发送成功，则将该数据包丢弃，这也可以看作数据包丢失的一 种特殊情况。所有这些事件的发生都可看作是数据包丢失。 从系统信息的传输来看，数据包丢失现象的发生相当于信息传输通道暂时被断 开，使得系统的结构和参数发生较大的变化。此外，数据包丢失也可能造成系统数据 包传输的时序错乱，闭环控制系统虽然对系统中结构和参数的变化具有一定的鲁棒 性，但不可避免会造成系统性能下降，严重的将导致系统失稳。这些现象引起了部分 研究者的注意，一些学者针对该问题进行了广泛的研究，并取得了一些研究成果1 3 0 , 3 1 1 。 2 6 节点的驱动方式 网络控制系统中的节点有两种驱动方式，即时钟驱动和事件驱动。时钟驱动是指 网络节点在一个事先确定的时间点开始它的动作，事先确定的时间点为节点动作的依 据，本文所说的时钟驱动中的时钟是指节点的采样时刻。事件驱动是指网络节点在一 个特定的事件发生时才开始它的动作，本文所说的事件驱动中的事件是指网络节点通 过网络从另外一个网络节点接收到数据。网络控制系统中的传感器一般采用时钟驱 动，传感器的时钟即为系统的时钟，面控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是 事件驱动。但事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点： ( 1 ) 控制嚣或执行器为事件驱动方式时，从源节点( 这里指传感器或控制器) 发 送的数据一旦到达目标节点( 这里指控制器或执行器) 便马上动作，而在时钟驱动方 式时控制器或执行器的数据被执行要等到规定的时间点，因此事件驱动方式客观上减 少了网络诱导时延： ( 2 ) 控制器或执行器为事件驱动方式时，避免了控制器或执行器为时钟驱动方式 时的与传感器时钟同步的困难： 3 ) 控制器或执行器采用事件驱动方式时，也避免了控制器或执行器为时钟驱动 方式时容易出现的空采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。 目前很多现场总线技术已逐渐采用了事件驱动方式，如美国e c h e l o n 公司推出的 南京理工大学硕士学世论文两貉控制系绕中授铫与 j 黾度协嗣设计方法研究 h n w o r k s 现场总线技术。但事件驱动相比于时钟驱动也有一定缺点： ( 1 ) 事件驱动相比于时钟驱动较难实现； ( 2 ) 目前一些实际的两络控制系统不支持事件驱动方式。 2 3 网络类型和协议 网络控制系统的实现可以选择不同的网络，以太网、控制网和设备网分别有各自 的协议和应用范围。网络控制系统的性能与网络的传输速率、介质访问控制( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 协议、数据包长度等因素有关，因此下面将分析比较工业中常 用的三种控铡网络，主要讨论它们的介质访问控制( m a c ) t 竭子层，即如何获得信 道分配的协议。 2 7 1 以太网( c s m a c d ) 以太网利用载波侦听多路访问，冲突检钡4c s m m c d 协议来解决网络资源的冲突 问题。i e e e8 0 2 3 口习标准规定了c s m m c d 协议。当网络中的某节点要发送信息时， 节点首先侦听网络，如果网络忙，它一直等到网络空闲，否则立即发送。如果两个或 更多的节点侦听到网络空闲后会同时发送信息，这些节点所发送的信息就会发生碰 撞，并导致信息发送中断。当发送信息时，该节点也必须同时对信息进行侦听，侦听 到两个或更多的信息之间发生碰撞时，发送节点就停止发送并等待一个随机时间长度 重新发送。这个随机时间长度由标准二进制指数退避算法决定：重新发送时间是在0 到( 2 1 一1 ) 个时问片内随机选择，这里f 表示节点检测到的第f 次冲突，一个时间片是 消息往返所需要的最小时闯。当冲突数达到l o 次，即有1 0 2 3 个间隔对间片，当达到 1 6 次冲突时，节点就停止发送并向节点处理器报告发送失败。进一步豹恢复要在传 输层以上的更高层的协议中解决。 以太网的帧格式如图2 j 1 所示。整个数据帧中系统的开销为2 ；6 个字节。数据帧 的大小在4 6 到1 5 0 0 字节之间，要求一个非零的最小数据包。因为规定了有效帧从目 标地址到校验和至少6 4 个字节长( 包括前同步和开始分隔符是7 2 个字节) 。如果数 据帧中的数据部分少于4 6 个字节，就用填充符填入到数据帧中，使得该帧满足最小 帧长的要求。要求达到最小帧长有两个原因；第一、当接收装置检测到冲突，它就截 断当前数据帧，这样网络上就常常出现零散的位和帧，最小帧长要求可以把有效帧从 网络上“垃圾帧”中区分出来。第二、它保证节点在第一个位还没有到达网络的远端 时不发送其他帧，否则就会与其他帧发生冲突。对一个传输速率为1 0 m b s 的 e 吐l 蜘l e t ，网络最大长度是2 5 0 0 m ，允许的最小帧时间5 1 2 艘。5 1 2 筇是在1 0 m b s ， 下传输6 4 个字节所需要的时闯。 n 第2 章网络控翩系统简介 磺士论文 字节71 66 20 - 1 5 0 0 0 4 64 i 翦同步 始分隔狩l 目标地址 源地址 数据长度数据填充符检验和 i l 一一一一 1 系统开销= 2 2 字节4 6 - - 1 5 0 0 字节4 字节 图2 7 1 以太网的帧格式 优点：采用