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浙江工业大学硕士学位论文 网络控制系统的优化调度研究 摘要 网络控制系统( n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m 简称n c s ) 是通过网络闭环的反馈控制系统，是一种 分布式与网络化相结合的实时反馈控制系统。在n c s 中，网络资源的竞争及网络时延赋予传 统的控制理论和方法新的含义和新的研究内容。其中对网络控制系统调度优化研究是重要内容 之一。本文在前人对网络控制系统调度研究的基础上，主要做了以下几方面的研究工作。 ( 1 ) 针对系统采样周期和网络时延对n c s 的性能影响，以优化n c s 的性台邑为目标，网络 的可调度性和系统的稳定性为条件，结合r m 调度原则，给出了n c s 的优化模型求取最优采 样周期并给出了仿真实例。 ( 2 ) 针对静态调度策略难以满足信息流时变性的要求，讨论了开环动态调度策略，此类 各种算法在网络负载较小时可以取得较好的调度效果。然而由于传统的开环动态调度在负载较 大时环境适应能力较差，对信息流的控制具有一定的盲目性，因此进一步讨论了一种基于反馈 机理的闭环调度策略，提高网络传输的可靠性和实时性，保证网络控制系统的控制性能。 ( 3 ) 针对以往文献中对可变的n c s 时延和丢包率不能实时跟踪的不足，文中提出了基于 h m m 的n c s 网络调度优化思想。文中采用隐马尔可夫模型对网络控制系统进行建模并应用 此模型预测出下一时刻网络丢包率和通过率，并将它作为网络利用率的重要参数，结合反馈调 度原理在线实时调整控制任务周期，实现n c s 的调度与控制集成。给出的仿真实例证明了该 方法在n c s 丢包和干扰较大并且传统方法不能调度时，仍可调度。 最后详细介绍基于t r u e t i m e 网络控制系统调度研究的仿真实验平台搭建，给出仿真实例。 关键词：网络控制系统，静态调度，动态调度，隐马尔可夫模型 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo nn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m ss c h e d u l i n g a b s t r a c t n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) i sat r a d i t i o n a lf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mc l o s e dv i an e t w o r k , w h i c hi sas o r to fc o m p l e t e l yd i s t r i b u t e d ，n e t w o r k e da n dr e a l - t i m ef e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m t h e c o m p e t i t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e sa n dp r o p a g a t i o nd e l a yr a i s ean e ws c i e n t i f i cf i e l dw h e r et r a d i t i o n a l c o n t r o lt h e o r i e sa n dm e t h o d o l o g yc 印n o tb ea p p l i e d n e t w o r ks c h e d u l i n gi sa l le s s e n t i a lp a r to ft h i s n o v e ld o m a i n b a s e do ne x i s t e n tr e s u l t so nn e t w o r kc o n t r o ls c h e d u l i n g ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa s f o l l o w s ： i no r d e rt od i s c u s ss y s t e m s a m p l et i m ea n dt h en e t w o r kd e l a y i n f l u e n c eo n s y s t e mp e r f o r m a n c e a n dg e t g o o dp e r f o r m a n c e ，o nt h ec o n d i t i o no fs c h e d u l i n g - a v a i l a b i l i t ya n ds y s t e ms t a b i l i t y ， c o m b i n i n gw i t hr mp r i n c i p l e ，t h es c h e d u l i n gm o d e li sg i v e nt oc o u n tt h es a m p l ef r e q u e n c y a tl a s t , t h ee x a m p l ei sp r e s e n t e d b e c a u s et h es t a t i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sn o tq u a l i f i e df o rt h en c s sr e a lt i m ef e a t u r e ，s ot h e d y n a m i ca l g o r i t h m ，w h i c hi sp r o v e dt h a ti tc a ng e tg o o dp e r f o r m a n c ei nt h en o n - b u s yn e t w o r k c o n d i t i o n , i sd i s c u s s e d t h eg e n e r a ld y n a m i ca l g o r i t h mc a n n o tp e r f o r mw e l li nt h eb u s yn e t w o r k c o n d i t i o na n ds c h e d u l et h ei n f o r m a t i o na i m l e s s l y s ot h ef e e d b a c kd y n a m i ca l g o r i t h mi s g i v e nt o m a k et h en c sm o r er e l i a b l ea n dg e tg o o ds y s t e mp e r f o r m a n c e b e c a u s et h ep r e v i o u sr e s e a r c h e sc a n tg e tt h er e a l - t i m ed e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t e ，t h en c s s s c h e d u l es t r a t e g i e sb a s e do nt h eh i d d e nm a r k o vm o d e li sp r o p o s e d t h eh m mi sp r o p o s e dt om o d e l t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，t op r e d i c tt h ed e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t ei nt h en e x tt i m ea sa n i m p o r t a n tp a r a m e t e ro ft h eq u a l i t yo fs e r v i c e t h eh m mi sc o m b i n e dw i t ht h ef e e d b a c kt h e o r yi n o r d e rt oa d j u s ts a m p l i n gp e r i o d a ne x a m p l ei sg i v e nt op r o v et h a tt h em e t h o di sc e r t a i ne f f i c i e n t w h e nt h ed e l a ya n dp a c k e tl o s si so b v i o u sa n dt r a d i t i o n a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h mi su n a v a i l a b l e i nt h ee n d ，b a s e do nt h et r u e t i m es i m u l a t i o ns o f t = 、) v a r e ，t h en c s s c h e d u l i n ge x p e r i m e n t st e r r a c e i si n t r o d u c e d i nt h ee n d ，t h es i m u l a t i o ne x a m p l e sa r e d i s p l a y e d k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，s t a t i cs c h e d u l i n g ，d y n a m i cs c h e d u l i n g ，h i d d e nm a r k o v m o d e 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使 用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 亏匀r j 日期：瑚年歹月；。e 1日期：瑚年歹月；。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙 江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 侪爱 导师签名2 少歹 日期： 扣 日期： f 月易。e t 厂月弓e t 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 网络控制系统产生背景 现代社会网络无处不在，它分布于社会的各个领域，如管理决策、资源共享、高级的航天 航空器和电气化运输工具等许多高科技领域和大型企业。通信与控制系统i c c s ( i n t e g r a t e d c o m m u n i c a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m s ) 1 1 ，又称网络控制系统n c s ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) 【2 】 是一种完全分布式、网络化实时反馈控制系统。它是某个区域现场传感器、控制器及执行器和 通信网络的集合，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。 近年来，我国企业中生产设备的现代化突飞猛进，然而采用共享网络信道传输信号，将不 可避免地引入时延和丢包等一系列问题，这给传统的控制理论带来了新的内容并赋予了新的挑 战，因此n c s 的概念一被提出，就引起了人们的关注。n c s 的研究中，其调度优化的研究是 重要内容之一。研究调度优化目的在于找到一个最优且可行的调度器使得给定的性能指标函数 达到最小( 或最大) ，提高网络的运行性能从而尽可能的充分利用有限的网络带宽资源。 1 2 网络控制系统结构 网络化控制系统是指控制回路通过实时网络( 串行通信) 形成闭环的反馈控制系统 3 】。其典 型特征是：参考输入、控制器输入输出等实时信息都要通过连接现场设备( 如传感器、执行器 等) 的网络来实现交换。控制器可以是一个独立的实体，也可包含在传感器或执行器，如图1 1 。 图l - 1 网络控制系统结构框图 网络 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 网络控制系统特点 n c s 系统相比分散控制系统在结构上更加网络化，并且系统中的节点之间数据及信息的 传输是通过网络来完成的。每个节点都是一个独立的单元，具有独立的分析及计算功能，这样 使网络控制系统在结构上显得较为稳定。网络化结构使原先由中央控制器实现的任务放到智能 化现场设备上执行。因此总结出以下特点： ( 1 ) 结构网络化； ( 2 ) 节点智能化； ( 3 ) 控制现场化和功能分散化； ( 4 ) 系统开放化和产品集成化。 由于网络控制系统的各节点各回路共享网络介质，相对于传统的各节点通过线路点对点 连接的结构，大大简化了布线，节省了布线成本【4 】。布线减少带来故障概率的减小，再加上现 场设备的智能化，保证了网络控制系统的高可靠性。网络控制系统中的节点加入和去除时，只 需要通过软件的重新组态就可构成新的控制回路，因而使得整个控制系统具有最大的灵活性， 易于扩展。网络的连接实现了信息资源的共享和信息的快速传递，因而使网络控制系统具有很 高的效率。信息资源的共享也使得上层监控管理系统更容易获得现场控制设备的状态信息和系 统运行信息，便于实现系统的监控和故障的在线诊断。 然而由于网络的介入，不可避免的带来了以下问题： ( 1 ) 信息的传输延迟造成系统的不稳定【5 ，6 和性能下降 刀，通常这是随机的，而且常常是大 于一个采样周期的。其中包括：等待网络空闲的时间，传输延迟，控制器节点的计算延迟 8 】， 以及为了确认所需要的附加信息等。 ( 2 )由于网络传输的不可靠性，网络控制系统还有丢失数据包的现象9 】发生。控制系统的 节点在通过网络交换测量数据、控制信号时，受电磁干扰或者网络媒介的故障影响，某些数据 包可能会丢失或被破坏，导致在某些采样周期之间控制器不能得到最新的测量信号或执行器不 能得到最新的控制信号。 ( 3 )数据的多包传送带来的问题。每个网络数据包( 帧) 所能携带的最大数据量大小都是有 限制的，如c a n 网络的这一限制为8 字节，以太网的这一限制为1 5 0 0 字节。由于这一限制， 测量和控制信号的采样数据可能需要通过多个数据包传送。或者由于控制节点在空间上分散， 也会要求同一时刻的采样数据通过多个包传送。这多个数据包可能通过不同的网络路径传输， 因而在目的节点需要的这些数据不会同时到达，这就导致了网络控制系统的多包传送问题。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 )和信息网络中存在的网络安全性问题一样，由于各种设备都连接在网络上，网络控制 系统也存在安全问题。由于网络的开放性和信息的共享，任何网络包括有线网络和无线网络， 都易受大量安全风险和安全问题的困扰，可能导致信息的滥用和设备的非法访问，如获得访问 权限的恶意用户随意修改系统组态信息，修改系统控制参数等。 ( 5 )并不是所有的传感器执行器都能同时使用网络，这也就决定除了控制算法外，还需要 一个调度算法来决定在一个时刻哪个传感器执行器可以通过网络送出接收数据。一个原本的 控制问题，现在变成一个控制问题和调度问题的耦合。进一步，有学者认为在网络控制系统中， 控制、通信、计算三者在本质上是内在耦合的。 ( 6 )由于网络控制系统节点的分布性，也带来了各节点间时钟同步的问题。传统的计算机 控制的理论通常假定控制系统各节点间时钟是同步的，而网络控制系统中分散的节点和网络的 引入使得时钟同步变得困难。虽然能够通过一定的同步措施来达到一定范围内的时钟同步，但 是没有技术能实现时钟的精确同步，因而由时钟不同步导致的采样时间抖动和非同步采样等问 题也需要在网络控制系统设计时加以考虑。 1 4 网络控制系统研究现状 n c s 的研究涉及控制和通信网络两个方面，对同一个问题既可以从控制的角度来研究， 也可以从信息调度的角度来研究，或者将这两个方面综合起来进行建模研究【1 0 1 。本文的介绍 主要侧重于信息调度的研究。网络调度要求网络中实时数据的网络传输时延能满足一定的约束 条件，引起网络时延的一个主要因素是与来自其他节点数据共同竞争网络资源，这部分网络时 延与网络特征，如拓扑结构，网络协议，网络负载等相关。因此，在n c s 中需要通过网络调 度算法来合理地分配有限的共享的网络资源。 网络调度主要是在用户或在传输层以上，主要关心计算机网络系统中节点的传输数据的快 慢和被传输的数据所具有的优先权，而不是数据包如何有效地从原端到目的端，以及路由拥塞 时应采取何种措施，这些问题涉及在网络层由路由算法和拥塞控制算法来解决。 1 4 1 推广和改进c p u 调度方法 其主要思想是将c p u 实时调度的任务调度方法推广到网络调度中。n c s 的网络调度和 c p u 实时调度之间有着很大的相似性，即它们都有共享资源的限制。但是网络调度更加复杂， 它不仅包括基于共享传输网络的网络信息的调度，还包括了基于共享c p u 的控制任务的实时 调度。r a j a 和u l l o a 1 1 1 从保证周期数据实时性及提高带宽利用率的角度提出优先级循环服务和 浙江工业大学硕士学位论文 动态时间窗的带宽配置策略，将一个基本循环周期分为周期时间窗和非周期时间窗两部分，数 据传输占用相应的时间窗。通过动态地交替扩展周期时间窗和非周期时间窗，使在周期时间窗 内未被服务的周期数据可以占用非周期时间窗内的时间而达到数据实时传输、减少带宽资源浪 费的目的。其周期数据的传输顺序由r m 或e d f 优先级调度算法决定，类似的研究包括1 2 m 】。 以优先级策略配置带宽的研究包括：z u b e r i 1 4 】采取m t s ( m i x e dt r a f f i cs c h e d u l e r ) 分级调度机制 对不同频率和不同实时要求的数据设定相应优先级，以提高c a n 网中实时数据可调度。 n a t a l e 1 5 j 借助相对时间限的对数编码方式实现c a n 网中的e d f 调度机制，获得比m t s 更高 的实时数据可调度性。c e n a 6 j 借助循环服务机制实现c a n 网中同优先级数据间的带宽平均划 分，避免了因优先级的设定和更新，造成的优先级倒置现象。 w a l s h 1 7 】等人提出了一种给时间关键信息动态分配网络资源的t o d ( t r y - o n c e d i s c a r d ) 协 议。假定有p 个传感器节点连接到n c s ，最大允许时间间隔m a t i ( m a x i m u ma l l o w a b l et r a n s f e r i n t e r v a l ) 为r 秒。与静态调度下所有的传感器值只能在最大时间间隔秒内更新不同，t o d 协 议规定具有最大加权误差的节点先传输信息，即m e f ( m a x i m u m e r r o r - f i r s o 调度技术，并丢弃 过时的数据而使用最新数据。t o d 算法不能保证每p 次传输中每个节点至少要传输一次。w a l s h 等计算出了t o d 调度器和静态调度器的误差上界，以及在网络时延满足最大允许时间间隔 m a t i 条件下保证网络控制系统全局指数稳定时的i v l a t i ，在此基础上w a l “1 8 进一步对被控 对象为非线性且采用m e f t o d 调度技术的网络控制系统稳定性进行研究。文中证明只要满足： ( 1 ) 内部传输间隔是有界的，并且边界足够小； ( 2 ) 能很好地解决冲突问题，即具有最大误差的通道总能保证优先传输，即使有网络延时 的存在，系统也能保持稳定。 t o d 协议规定各个节点数据的优先级与误差成比例，结合c a n 2 0 和c a n l 0 的工业应用 实际，w a l s h t l 9 提出了两种给动态调度的网络控制系统选择有限字长优先级的算法，即有限字 长标识符中的优先级的编码问题，并给予了验证，这两种算法为固定优先级分配法和动态优先 级分配法。前种方法不能保持系统的渐进稳定性但能保证它的最终一致有界性，而后种方法仍 能使系统保持渐进稳定性，缺点是它的计算要求更高，且要求各节点不仅能接收数据还能发送 数据。 1 4 2 调度与控制共同设计 上面介绍的是将控制任务看作是具有固定采样周期和已知最坏情况下执行时间的硬实时 任务【矧。但是将信息调度和控制系统设计结合在一起考虑时，许多假设往往并不成立，这将 浙江工业大学硕士学位论文 会影响到控制系统的性能。目前关于控制与调度协同设计【2 1 1 成为研究热点，受到越来越多的 重视。 在n c s 中，过快采样频率会加大网络的负担，影响控制系统性能。在一定采样时间内，系 统性能随采样时间的减少而逐步提高。但随采样时间的进一步减少，系统性能反而会呈下降趋 势。当网络资源有限而网络的传输时延成为提高控制性能的关键因数。基于“窗口 的概念， h o n g 2 2 给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调度算法，建立了 n c s 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 ) 和轮询系统( p o l l i n gs y s t e m ) 的一维对象的调度，系统中信息类型仅限 于周期性信息。k i m 等【2 3 】基于相同思想提出适用于多维对象的采样时间调度算法。刘鲁源等【2 4 】 以文献中的时间窗口调度算法为基础，提出了一种静态调度算法。该算法利用剩余的时间窗口 调度非实时数据，提高了网络资源利用率。白涛等 2 5 】讨论了针对网络中可能存在的三种类型 的数据( 周期性、非周期性实时数据和非实时数据) 如何有效地实现调度。 s e t o 2 6 , 2 7 较早地从实时控制系统性能优化的角度来考虑周期任务的调度问题。对于性能指 标是单调递减并且是每一任务频率的凸函数的这样一类控制系统，文章给出了一种通过改变采 样频率使得任务能被e d f 和r m 调度的新算法，而且系统的性能在有限计算资源的约束下能 达到最优。但该算法没有考虑执行时间的变化与扰动问题。c e r v i n t 2 8 在s e t o 研究的基础上， 考虑了具有时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的采样 周期进行了分析。r y u 等 2 9 3 0 j p a 稳定状态误差、过冲、上升时间、沉降速度等作为控制性能参 数，并将它们表示为采样周期和输入输出延时的函数，在可调度约束条件下，用迭代算法对这 些性能参数进行优化。何坚强等 3 1 ，3 2 】在上述研究的基础上讨论了系统采样周期和网络时延对 n c s 的性能影响，给出了n c s 的优化模型并采用遗传算法来求取采样频率。所提出的调度算 法主要针对的控制任务为独立任务。对于非独立、具有依赖性的控制任务的网络控制系统调度 慎用般的实时调度方法，必须进行全局调度考虑，对采样周期的求取方法要进行相应调整。 b r a n i e k y 和z h a n g 等【3 刊提出将非抢占r m 调度算法应用于网络控制系统的调度，并给出了保 证系统稳定和网络可调度的充分条件。在此基础上b r a n i c k y 等【3 4 进一步对网络传输时间进行 分配，给出了网络调度优化方法。在研究了系统稳定性同数据包丢失量之间关系后，考虑在不 可调度情况下丢弃一定量数据包使得网络仍然可调度并给出了传输百分比一定时系统指数稳 定的充分条件以及数据包丢失的界。但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，而且对于拥挤的网络，这种方法在突发事件发生的时候仍然按照r m 算 浙江工业大学硕士学位论文 法规定的j 顷序来发送数据。 杨项方、王树青【3 5 】在文献研究的基础上对因数据包丢失导致的系统性能下降做出t 偿， 在不可调度的情况下，通过在保证系统稳定性的时间范围内增大回路的采样周期，使得每个数 据包都能够按时到达，防止性能的大幅度下降。同时，控制器根据周期的变化修改参数，补偿 采样周期增加带来的系统性能的下降，从仿真结果看效果明显。该文指出对于如何优化选取周 期，如何调度事件触发的非周期数据等是有待深入研究的。彭晨【3 6 j 提出基于优化网络控制服 务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e s ，q o s ) ，利用离散l q r ( 1 i n e a rq u a d r a t i cr e g u l a t o r ) 方法完成控制器与网络 的交互设计过程。 1 4 3 反馈控制实时调度 上面提到的r m 等实时调度算法调度任务后不会根据连续反馈对系统进行调整，属开环的 调度算法。开环调度算法在负载能精确建模的动态或静态系统中可以取得很好的效果，可是在 不可测的动态系统中，算法的有效性要极大地降低。近几年来，“闭环 调度由于可以应用于 很多实时领域因而引起了很多人的关注，其特点是反馈回来的信息可以有效地用来调节任务或 调度器的参数，从而提高了系统的性能。在s e t o 等提出的系统控制和调度离线集成设计的基 础上，c e r v i n 3 7 1 提出种将控制和调度动态弹性集成的框架，允许在线平衡控制性能和可用的 计算资源。当采样时间变化，通过重新计算控制器参数来补偿扰动导致的系统性能的下降，这 就提高了系统的弹性。当某时刻控制任务数量变化时，调度器在线调整任务的特性使控制性能 最优并使c p u 利用率趋于或达到理想值，这正是反馈调度的思想。 s t a n k o v i c t 3 8 】等提出了反馈控制实时调度的思想，即给调度器定义误差项，监测误差并连 续调整调度器来保持系统的稳定性，而且还给出了一种结合p i d 控制和e d f 调度器的反馈控 制实时调度算法f c e d f ( f e e d b a c kc o n t r o le a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 。任务的时间限错失率 ( d e a d l i n em i s sr a t i o n ) 为反馈控制系统的测量信号( 被控制量) ，要求的c p u 利用率作为操纵量。 c p u 利用率的变化是通过两种机制来实现的：进入控制器( a d m i s s i o nc o n t r o l l e r ) 控制流入系统 的负载量和服务层控制器( s e r v i c el e v e lc o n t r o l l e r ) 调整系统内的负载量。c h e n gy a n gl u 【3 刿等在 此基础上完善了f c e d f 算法。王艳等【4 0 】提出一种基于反馈机理的网络控制系统动态调度器的 设计方法。首先利用网络监测器在线获取当前的网络带宽和网络传输误差，预测下一监测器采 样周期内可利用的网络带宽。然后利用网络带宽预测值和网络传输误差确定各控制回路采样周 期的调节规律，并给出反馈调度器的可调度性约束。当数据包传输发生冲突时，采用 m e f ( m a x i m u me r r o rf i r s t ) 作为辅助调度策略，确定数据包的发送优先级。 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 4 基于网络协议层的调度优化 上面的网络调度研究集中在应用层或传输层上，即在一个多任务( 周期性和非周期性) 的控 制网络中，用什么样的调度算法实现网络通信，调度程序根据要求主动决策信息分发传送规则， 如多长时间传送一次，以什么优先级别传送。该规则与具体的网络协议无关。从国际标准组织 ( i s o ) 制定的开放系统互连参考模型的结构层次看，网络化控制系统的另外一类调度为网络协 议层调度，它在数据链路层通过链路活动调度器控制现场装置对总线的访问，一般是规定网络 接口设备按照特定的规范工作，实现调度算法。网络协议是调度研究的基础，了解现有网络协 议特点对改进工作很必要。下面介绍几种常见的常值网络： 令牌网是有界网络的代表，分为令牌总线和令牌环两类。c o n t r o l n e t 、m a p ( i e e e 8 0 2 4 ) 、 p r o f i b u s 等都属于令牌总线。只有拥有令牌的节点才可向网络发送信息，每个节点将令牌传 给下个节点时，对令牌的占有时间是有限制的，因而节点对网络的最大延迟被限定在某最大值。 c o n t r o l n e t 协议采用隐式令牌传递机制，对每个节点分配一个唯一的m a c ( m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) i d ，只有获得令牌的节点才能发送数据，但网络上没有真正的令牌在传递，网上每个 节点监听每个信息帧的源m a ci d ，如果令牌寄存器等于自己的m a ci d ，则该节点发送信息， 否则不可发送，这样就避免了信息冲突。令牌总线协议是一个确定性的协议，在大负载的情况 下有很好的吞吐能力 4 1 , 4 2 】。 c a n 通信协议采用多主竞争机制：网络上任意节点均可以在任何时刻主动地向网络上其 它节点发送信息，不分主次。当总线空闲时，各节点都有网络使用权；当传送冲突时，采用非 破坏性总线优先仲裁技术进行处理，即当几个节点同时向网络发送信息时，用逐位仲裁原则， 借助帧中开始部分的标识符进行裁决，优先级低的节点停发数据，优先级高的节点继续发送数 据，从而避免了总线冲突。该协议由c a n 总线控制器完成，它的特点是对信息传输有优先级 的区别，对优先级高的信息进行传递，能做到时延较小，但是该协议数据传送率较低。 1 5 本文的主要研究内容 在n c s 中，有限的网络宽带资源和承受能力被多个系统共享，数据的传输只能采用复用 的方式实现，因此会出现网络传输时延和周期抖动等问题。尤其是随着网络中传输量的变化， 时延是随机变化的。这就赋予传统的控制理论和方法新的含义和新的研究内容。本文主要对网 络控制系统的优化调度进行了探讨，主要研究工作如下： 首先在介绍网络控制系统基本概念、结构特点的基础上，对静态调度和动态调度分别进行 二 综合分析。对于静态调度算法，分析了基于表的静态调度和固定优先级静态调度等算法；对于 浙江工业大学硕士学位论文 动态调度算法，分析了最大误差优先一尝试一次丢弃调度等调度策略、及混合调度和反馈闭环 调度算法。指出网络控制系统调度理论中存在的问题和尚需研究的内容，为进一步的研究工作 莫定基础。 第二章静态调度算法中针对系统采样周期和网络时延对n c s 的性能影响；以优化n c s 的 性能为目标，以网络的可调度性和系统的稳定性为条件，结合r m 调度原则，给出了n c s 的 优化模型并求取最优采样周期，最后给出了仿真实例。 第三章针对传统的开环动态调度在负载较大时环境适应能力较差，对信息流的控制具有一 定的盲目性，进一步讨论了一种基于反馈机理的闭环调度策略，提高网络传输的可靠性和实时 性，保证网络控制系统的控制性能。 第四章针对网络控制系统的时延和丢包，造成系统负载情况不可预测，使传统调度算法的 调度效果急速下降，本文提出了采用隐马尔可夫模型( h m m ) 对网络控制系统进行建模并应用 此模型预测出下一时刻网络丢包率和通过率，并将它作为网络利用率的重要参数，结合反馈调 度原理在线实时调整控制任务周期，实现n c s 的调度与控制集成。文中给出的仿真实例证明 了该方法在n c s 丢包和干扰较大并且传统方法不能调度时，仍能表现较好的调度效果。 最后详细介绍基于t r u e t i m e 网络控制系统调度仿真软硬件实验平台建立，给出仿真实例。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章网络控制系统静态调度算法研究 2 1 静态调度算法概述 研究网络控制系统调度算法的目的在于使网络中的通信具有可管理性和可预测性，其解决 的本质问题在于合理分配网络资源，使控制系统中由于网络的引入所造成的延时限制在保证控 制系统稳定性的范围之内。下面针对网络控制系统中与调度理论相关的概念给出其定义。 ( 1 )周期性消息【4 3 】：如传感器周期性地传送采样数据，控制器周期性地传送控制信号，第 i 个消息的传输周期表示为z ，周期性消息也被称为时间触发消息或者同步消息。 ( 2 )非周期性消息畔】：如接收节点向发送节点的请求服务等。非周期性消息也被称为事件 触发消息、异步消息或者随机性消息。 ( 3 )截止期：节点消息从产生至到达目的节点所能允许的最大延时时间。对于控制系统而 言，消息的截止期小于或者等于周期性消息的周期。第i 个消息的截止期表示为口。 ( 4 )网络资源利用率：指网络控制系统中所有消息的最糟糕的执行时间e 与其周期z 比值 ，：h 门 的总和，即n u ：y 兰。 肓，； 静态调度算法是建立在确定性系统模型的基础上的，即网络节点中消息的传输时刻和所占 用的带宽资源在系统运行前根据系统中所有消息的时间特性和时间约束确定下来，在系统运行 中，不能对调度分配进行修正。静态调度算法按照是否构成显式表分为基于表的静态调度算法 和固定优先级静态调度算法，后面将分别详细分析这两类调度算法。运行静态调度算法必须进 行离线可调度分析，同时调度算法的执行与底层的m a c 访问方式密切相关。 静态调度算法在系统运行前就根据系统中所有消息的时间特征与时间约束，确定了每个消 息的调度行为，所以不再需要设计复杂的动态带宽请求、在线可调度分析及消息的认同控制等， 简化了系统的设计。由于在系统运行中，不需要进行复杂的在线可调度分析、带宽的动态请求 和动态分配，所以可以节省大量的运行开销和带宽资源。但是它对非周期性消息的调度效率低， 以往的静态调度算法并不区分周期性和非周期性消息，而把它们等同视作周期性消息，非周期 性消息一般取其最小的到达间隔时间为周期，然而在大多数的实时环境下，非周期性的消息并 不以最小的到达间隔时间出现，这就导致了在有非周期消息的情况下，调度效率很低，对系统 资源浪费严重，不能灵活地适应系统的变化。如果在系统中希望增加一个节点、删除一个节点 浙江工业大学硕士学位论文 或者一个关键性节点因错误而脱离总线，都必须停止整个系统的运行，对静态调度时刻表进行 重新构造与可调度分析，这样系统就缺少了一定程度的灵活性。由于在运行时周期不易改变， 就必须根据最坏的情况来分配资源，故有可能导致系统资源的浪费。比如有一个节点需要2 m s 的传输带宽，但如果考虑网络中的传输错误与其它消息的阻塞，可能需要4 m s 的传输带宽。故 利用静态调度算法时就必须假设每次传输此消息都需要4 m s ，造成了2 m s 的带宽的浪费。 2 2 可调度性分析 为了使网络控制系统中所有的消息传输都满足其截止期要求，必须在系统运行前对所构造 的调度进行可调度分析。它主要分为网络资源利用率可调度分析和响应时间可调度分析，前者 是通过验证所构造的消息调度古用的网络资源是否低于一定的门限值( 使系统可调度的最大值) 来判断消息的调度是否可实施，而后者是通过验证每个消息的响应时间是否小于消息的截止期 来判断消息的调度是否可实施。网络资源利用率可调度分析具有计算过程简单的特点，并且适 用于消息组。基于这个原因，该方法非常适用于在线可调度分析。但是与响应时间可调度分析 相比，该方法存在不容忽视的缺点，因为该方法并没有分析任何有关消息响应时间的信息。而 且网络资源利用率可调度分析只是系统中所有消息可以有效调度的充分条件，不是必要条件， 即如果调度算法通过可调度分析，则该调度算法可以满足所有消息的截止期要求，但是如果没 有通过可调度分析，该调度算法可能满足也可能不满足所有消息的截止期要求。 网络控制系统所采用的大部分调度算法都是通过对处理机的任务调度算法进行修正加以 利用的，l i - , p n 比率单调法【4 5 1 、最小截止期优先、以及最小松弛优先等，具体为： ( 1 )在处理机中调度任务相当于在该处理机中序列化它们的执行，同样在网络控制系统中 消息的调度也相似于在共享物理传输介质中序列化消息的传输； ( 2 )两个任务不能同时在同一个处理机中执行，同样两个消息不能同时在共享物理传输介 质中传输，否则就会发生冲突； ( 3 )任务的执行时间依赖于任务所需要执行的指令数，而消息的传输时间依赖于消息所需 要传输的字节数。 2 3 基于表静态调度算法 基于表静态调度算法特别适合于周期性消息的传输( 或者把非周期性消息转变为周期性消 息) 。根据消息的时间特性，如消息的截止期、周期和最糟糕响应时间等，利用调度算法构造 浙江工业大学硕士学位论文 一张表，该表中说明了每个消息的起始传输时刻和传输周期，系统根据该表实现了对系统中所 有消息的调度管理。在网络控制系统实现基于表的静态调度算法，需要解决的首要问题是网络 中各个节点之间的同步问题，即各个节点具有共同的时间基准。如果网络协议中的介质访问方 式为控制访问方式，在其数据链路说明中提供了网络同步方式，如f f 4 6 】和w o r l d f i p 4 7 ，4 8 1 。而 如果m a c 方式为随机访问方式，实现基于表的静态调度算法就必须解决同步问题，大部分文 献中采用的同步方法主要是由网络中时间意义上的主节点周期性地广播一个时间发布消息，以 便所有的节点都准确的具有相同的数据链路时间，网络中设定的调度通信与节点中消息的传输 必须根据所得到网络的统一时间基准进行消息的发送与接收，因此需要正确选择同步消息的广 播周期。 在设计基于表的静态调度算法时，需要考虑的两个问题：内存大小及传输扰动。因为调度 时刻表的长度等于所有周期的最小公倍数，如果消息的周期之间存在较大的素数，则会造成调 度时刻表过大，这就需要较大的物理内存保存该表，这对于工业控制层的设备是不现实的，所 以当调度时刻表过大时就必须考虑设备内存的大小。一般采用的解决方法就是减小周期值为较 大素数消息的周期【4 9 】来避免产生所有消息较大的最小公倍数，但是这种方法也增加了不必要 的网络负载。更有效的方法就是采用动态表即规划调度算法【5 0 1 。该算法通过在线周期性地构 造称为规划的调度表，达到对消息地有效调度，规划的长度为一固定值并且与消息的周期无关， 这种规划调度算法可以有效的解决内存大小的限制。 对于传输扰动问题，其产生的主要原因是被高优先级的消息所阻塞，如传输报警数据的非 周期性消息，由于此类消息的产生呈一定的概率分布，所以传输扰动是变化的。为了有效解决 传输扰动，可以通过减小消息的传输周期使其为最小周期的2 岛倍，即z = 2 k , z ，互表示所有消 息最小周期，z 表示第i 个消息的周期，v i = 2 n ，岛n ，这样免除一定的传输干扰，但是同 样会增加网络负载，这种方法实际是通过带宽来换取消息的可靠传输。刘鲁源等 5 1 1 对此做出 了改进，既考虑了周期性数据，又提出了触发型信息的调度问题，既满足t t c a n 中实时性数 据的时间约束条件，又通过利用剩余的时间窗口调度非实时数据，从而提高了网络资源利用率。 由于事件触发型信息的到达具有一定的随机性，假定其具有泊松分布。在t t c a n 中引入 双相基本周期的概念，即基本周期由同步相与异步相组成，如图2 - 1 所示。其中a 表示同步相 与异步相之间的隔离时间，其作用在于避免事件触发型信息对时间触发型信息的干扰。 浙江工业大学硕士学位论文 同步 s i n s m bs m c 口 a m a m ba m c 图2 1 双相基本周期 输入值：m ，坼，m ，t ，乓，扎一，l ( f 【l ，n a ) ，a 输出值：控制环的采样周期r = 曙，乏l ，各个信息的产生时刻f = 岛，t 2 胛 算法步骤： s t e p l ：计算t t c a n 总线系统中各个控带 j n z i 的最大允许环延时彳，并按增序对0 进行 排序得f = q ，砭 ； s t e p 2 ：确定时间触发型信息的最小传输周期，即基本周期 z ：( r 1 + l r - r c ) 3 s t e p 3 ：确定基本周期内传输的信息数目，即 声r ( i = 2 ，f m ，i + + ) 勺= 仁掣) 鲰= ，7 = a k i = lt c i s t e p 4 ：i f ( l , + 7 岛+ 咒一k + 口 r ) t h e n 提高网络传输速率，转s t e p 2 ； e l s e 互= 向石 s t e p 5 ：确定时间触发型信息的产生时刻，即 甲 力，( = 1 ，f = 1 ；j n t ，i _ 1 _ m ；+ + ，f + + ) _ 1 矿( “7 ( b e ) y ) t h e n i j = b c , ，e l s e ：t j = b c , + l 实验结果表明利用i x x a t 公司的u s b t o c a n 智能p c c a n 接口模块分析网络性能，其指 标为平均信息延时( a d l ) 、带宽利用率( b u ) n 信息传送成功率( s r ) 。该算法因非周期性信息只 在异步相中进行传输，减少了其对周期性信息的干扰，所以周期性信息的成功率大大提高。但 浙江工业大学硕士学位论文 与之前事件触发型信息转变为周期性信息处理相比，该算法事件触发型信息平均信息延时略 局。 2 4 基于d r m 算法调度优化 在n c s 的调度中，主要分可抢占服务方式的实时调度和非抢占服务方式的网络调度。 n a g h i b z a d e h t 5 2 】等人提出了针对抢占服务方式的d r m 算法，并从理论上证明了d r m 算法比 r m 算法具有更少的任务