（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统的控制与调度协同设计研究.pdf

at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nc o n t r o la n d s c h e d u l i n gc o - - d e s i g n o fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m b ys h iq i n g h u a s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a oj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 一 独创性l 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名： 签字 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：文盾孕 导师签名： 签字日期 ： 2 ；7 签字日期： 一i 一 拯亏 伊参，) | 一，f 彳p 影 d 勘 伽 i v 爱k 器罄 东北大学硕士学位论文摘要 网络控制系统的控制与调度协同设计研究 摘要 网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 是以通信网络作为控制器、执行 器以及传感器之间的通讯媒介，是控制科学、计算机及网络技术的综合应用。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研究内容，对网络控制系统调 度的研究是其中重要内容之一。网络调度就是为了解决各个对象同时访问网络所产生的 冲突问题，对网络资源的需求进行合理的分配。控制和调度的协同设计就是网络调度和 控制设计结合起来以实现系统的控制目标，优化网络资源。本文研究了m a c 层协议特 点、网络的协议层和应用层调度仿真、基于采样周期的控制与调度的协同设计和基于令 牌总线的最优控制器设计等问题，主要工作概括如下： 首先，回顾了网络控制系统调度的基本问题、研究现状和方法，详细介绍了网络协 议层的以太网、控制网和设备网的协议，并比较介绍了网络调度和实时调度。 其次，分别对网络协议层调度和网络应用层调度进行仿真比较，在协议层调度下比 较了不同网络负载情况下的三种网络机制的特点，并通过调度时序分析给出了详细的说 明；通过设计调度器实现了实时调度算法应用到网络，并在应用层调度下比较了r m 和 e d f 调度算法的特点。 然后，基于采样周期的控制和调度的协同研究，结合c a n 总线时间延迟特点，通 过系统的稳定性条件可以求出采样周期的上界值，结合r m 调度算法优化系统的采样周 期，并通过仿真验证了该方法的有效性。 最后，考虑通信网络带宽受限时的系统，鉴于令牌总线协议调度的特点，通过系统 和令牌调度方式相结合，设计了有限时间性能指标最优控制器，仿真表明控制性能得到 改善。 关键词：网络控制系统；网络调度；优化：协同设计；令牌总线；最优控制器 j ，- ， 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nc 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 d c o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ( n c s ) i sas y n t h e t i ca p p l i c a t i o nw h i c hc o m b i n e sc o n t r o l s c i e n c e ，c o m p u t e rs c i e n c ea n dn e t w o r kt e c h n o l o g y a nn c sc o n n e c t st h ec o n t r o l l e r s ，t h e s e n s o r sa n dt h ea c t u a t o r st h r o u g ho n es h a r e dn e t w o r kt of o r mt h ef e e d b a c kc o n t r o ll o o p t h e n e t w o r kr e s o u r c e sc o m p e t i t i o na 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 e t r a d i t i o n a lc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d o l o g yc a nb ea p p l i e d n e t w o r ks c h e d u l i n g ，f o ri n s t a n c e ， i sa ne s s e n t i a lp a r to ft h i sn o v e ld o m a i n n e t w o r ks c h e d u l i n gi sau s e f u lm a n n e r st os c h e d u l e t h ea v a i l a b l er e s o u r c et or e d u c et h es i g n a lc o l l i s i o nc a u s e db ym a n yn o t e sa c c e s s i n gt h e n e t w o r ks i m u l t a n e o u s l y c o n t r o la n d s c h e d u l i n gc o - d e s i g n i st o o p t i m i z e t h e s y s t e m p e r f o r m a n c ea n ds h a r e da v a i l a b l er e s o u r c e t h i st h e s i ss t u d i e st h ep o p u l a rp r o t o c o l si nm a c l a y e r ，n e t w o r ks c h e d u l i n g ，c o n t r o la n ds c h e d u l i n gc o d e s i g n ，o p t i m a lc o n t r o l l e rd e s i g n t h e m a i nr e s e a r c hw o r ka r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n do fs c h e d u l i n g ，b a s i cp r o b l e m sa n das u r v e yo fr e c e n ta d v a n c ei n r e s e a r c ha r e a sa r er e v i e w e d e t h e r n e t ，c o n t r o l n e ta n dd e v i c e n e ta r ec o m p a r e da n dt h e i r p r o t o c o l sa r ea n a l y z e di nd e t a i l f u r t h e rm o r e ，w ea l s oc o m p a r et h er e a l - t i m es c h e d u l i n gw i t h n e t w o r ks c h e d u l i n g s e c o n d l y , w ep r e s e n tt h es c h e d u l i n gs i m u l a t i o nr e s u l t sb o t hi nm a cl a y e ra n di n a p p l i c a t i o nl a y e r a c c o r d i n gt od i f f e r e n tb a n d w i d t ho c c u p i e db yd i s t u r b a n c ei nm a cl a y e r w ea l s oa n a l y z et h es t a t er e s p o n s ea n dp r o t o c o lu s i n gt h es c h e d u l i n gd i a g r a m r e a l - t i m e s c h e d u l i n gm e t h o d sa r ea p p l i e d t on e t w o r kb yt h es c h e d u l e rw ed e s i g n e d ，a n dw ea l s o c o m p a r et h er ms c h e d u l i n ga l g o r i t h mw i t he d fs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi n t h ea p p l i c a t i o n l a y e r t h i r d l y , t h i sp a p e rr e s e a r c ho nc o n t r o la n ds c h e d u l i n gc o - d e s i g nb a s e do ns a m p l i n g p e r i o d a c c o r d i n gt ot h en e t w o r k - i n d u c e dd e l a yo ft h ec a n ，w ed e r i v et h e m a x i m u m s a m p l i n gp e r i o dt h r o u g ht h es t a b i l i t yc o n d i t i o n t h e n ，t h es a m p l i n gp e r i o di so p t i m i z e du s i n g t h er ms c h e d u l i n g t h es i m u l a t i o n p r o v e s t h a tt h i sm e t h o dc 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 e - i i i - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t f i n a l l y , s i n c et o k e nb u sh a sag o o dq u a l i t yo fs c h e d u l i n g ，w ea p p l yt h i sc h a r a c t e r i s t i ct o t h en c sw h e nc o m m u n i c a t i o nr e s o u r c ei sc o n s t r a i n e d ；a no p t i m a lc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dt o m i n i m i z et h ep e r f o r m a n c ev a l u ew i t h i nf i n i t et i m e i ti sp r o v e dt h a tt h ep e r f o r m a n c ei s i m p r o v e d k e y w o r d s ：n c s ；n e t w o r ks c h e d u l i n g ；o p t i m i z e ；c o - d e s i g n ；t o k e nb u s ；o p t i m a lc o n t r o l l e r 一一 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t m 第1 章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 网络调度问题研究。2 1 2 1 网络调度问题的研究内容2 1 2 2 网络调度问题的研究现状3 1 3 论文的主要内容和工作安排。7 第2 章预备知识9 2 1 网络类型和协议9 2 1 1 以太网( c s m a c d ) 9 2 1 2 控制网( 令牌环和令牌总线) 1 0 2 1 3 设备网( c a nb u s ) 1 1 2 1 4 网络类型和协议比较1 1 2 2 网络调度。1 2 2 2 1 网络调度和c p u 调度的比较1 2 2 2 2 网络调度问题的几个基本概念1 3 2 2 3 典型的两种调度算法。1 5 2 3 本章小结1 8 第3 章基于t r u e t i m e 工具箱的网络调度仿真1 9 3 1t r u e t i m e 仿真工具箱简介1 9 3 2 协议层下的网络调度仿真2 0 3 2 1 不同网络协议轻载时仿真比较2 0 3 2 2 不同网络协议重载时仿真比较。2 1 3 2 3 网络调度时序比较和分析2 4 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 2 4 资源受限时采样周期的影响2 6 3 3 应用层下的网络调度仿真2 7 3 3 1 调度器的设计2 7 3 3 2r m 和e d f 的网络调度比较。2 8 3 4 本章小结3 1 第4 章基于采样周期的控制与调度协同研究3 3 4 1 弓i _ 言一3 3 4 2 采样周期对控制系统的影响3 3 4 3 基于r m 的协同设计3 4 4 3 1 控制系统的稳定性条件3 4 4 3 2 网络控制系统的可调度条件3 7 4 3 3 性能指标的选取3 7 4 3 4 仿真结果3 8 4 4 本章小结4 2 第5 章基于令牌总线的控制与调度协同研究。4 3 5 1 弓l 言4 ：； 5 2 系统描述4 3 5 3 基于令牌总线的最优控制器设计4 5 5 3 1 最优控制预备知识4 5 5 3 2 令牌总线调度方式4 6 5 3 3 有限时间最优控制性能指标4 7 5 3 4 控制器的求解。4 8 5 3 4 仿真结果5 1 5 4 本章小结5 5 第6 章总结与展望5 7 6 1 研究工作总结5 7 6 2 未来工作展望5 7 参考文献。5 9 致 谢6 5 一一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着控制系统规模的扩大和计算机通信技术的迅猛发展，尤其是智能传感器、执行 机构和驱动装置的发展大大影响了计算机在生产对象控制上的应用；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。网 络控制系统【1 , 2 l ( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简记为n c s ) 正是在控制技术、计算机技术、 通讯技术的融合中应运而生的，它以完全分布式的结构实现远程操作与控制，具有资源 共享、诊断能力高、便于安装与维护、廉价等优点。广泛应用于自动化制造工厂、电厂、 无人驾驶飞船、机器人遥操作和远程控制实验室。 网络控制系统，是通过实时的网络将分布于不同地理位置的传感器、控制器和执行 器连接起来形成闭环的一种完全分布式的反馈控制系统。一般的网络控制系统的结构如 图1 1 所示： 图i i 网络控制系统的结构图 f i g 1 1n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ma r c h i t e c t u r e 网络控制系统中所采用的通信网络主要是控制网络与i n t e m e t 的集成，用以实现控制 器对远程被控对象的控制。控制网络主要包括由汽车工业发展而来的c a n ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) 以及p r o f i b u s ，基金总线( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) ，l o n w o r k s 和设备网 ( d e v i c e n e t ) 等。按网络类型和媒体访问控 i ；1 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 方式划分，控 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制网络主要有随机访i h - ( r a n d o ma c c e s s ) 取l 轮询服务( c y c l i cs e r v i c e ) 两大类l ”l 。在随机涝 问网络中，以太肛- x j ( e t h e m e t ) 采用符合i e e e8 0 2 3 标准的带有冲突检测的载波监听多路访 问协议c s m a c d ( c o l i i s i o nd e t e c t i o n ) ；c a nb u s 采用的是带有信息优先级仲裁的载波 监听多路访问协议c s m a a m p ( a r b i t r a t i o no nm e s s a g ep r i o r i t y ) 。在轮询服务网络中，网 络节点问的通信通常采用令牌传递t p ( t o k e np a s s i n g ) 方式，如令牌总线( i e e e8 0 2 4 标准) 和令牌环网( i e e e8 0 2 5 标准) 。采用令牌方式的主要是c o n t r o l n e t ，如用于过程控制的现 场总线p r o f i b u s 、用于工厂设备连接的现场总线f i p 和p n e t 。控制网络实现了用户间的 远程数据传输和交换、减少了系统连线、降低了成本、便于维护、大多数协议对于实时 性控制都具有可靠性和鲁棒性。正是由于这些控制网络独特的优点，许多工业公司和研 究机构对其应用于远程的工业控制和工业自动化颇感兴趣，促进了网络控制系统的广泛 应用。 不同的网络通信协议产生了不同的通信特征，从而决定着网络控制系统中信号传输 的特性，如网络诱导延时特性、数据包大小及传输路径、节点驱动方式等。这些特性将 直接影响整个系统的分析和设计，进而影响整个系统的控制性能。因此，网络环境下的 控制系统的研究成为控制领域的研究热点之一。 目前，网络硬件和控制装置及软件业的蓬勃发展，促进了网络控制系统的广泛应用。 网络控制系统作为控制理论与计算机通信等领域紧密相连的一门全新的交叉学科，从不 同的学术观点、不同的应用领域已经取得了很大的发展，也提出了一系列具有挑战性的 问题。如何建立系统的网络控制理论和有效的控制算法及调度优化方法，是亟待解决的 问题，对网络控制系统理论发展和广泛应用具有十分重要的意义。 1 2 网络调度问题研究 1 2 1 网络调度问题的研究内容 在网络控制系统中，由于网络环节的加入使得系统的分析和设计与传统的经典控制 相比增加了很大的困难。一般对于n c s 的分析和设计有两类方法【刮，一类是在设计n c s 时就已经考虑了网络环节的存在来设计相应的控制器；二是在设计控制器时不考虑网络 环节的存在而当作非网络控制系统来理，而在网络环节选择适当的调度方法来保证整个 n c s 的性能。因为在网络控制系统中，控制环的性能不仅取决于控制算法，同时还与共 享网络资源的调度有关。来自多个传感器的数据同时访问网络而产生共享冲突，传感器、 控制器及执行机构之间共享通讯网络的时间分配是n c s 性能好坏的关键因素。粗略的 讲网络调度就是为了解决各个对象的传感器数据传输时同时访问网络而产生的冲突问 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 题，针对各个对象对网络资源的需求进行尽可能合理地分配，使得整个网络控制系统能 够达到我们期望的性能要求。限制n c s 性能的一个很重要的因素就是实时性问题，即 在共享的通讯网络中传感器、控制器及执行器之间的通信时问或通信的及时性。从n c s 时念特性可知，控制回路的实时性很大程度上依赖于处理器中控制任务的执行时问以及 网络信息的排队时延，而它们的大小分别与c p u 和网络调度策略息息相关。因此，调 度算法在网络控制的闭环系统中起着重要作用。 网络控制系统中网络的加入使之不同于点对点连接的系统，它把n c s 中的调度问 题分成了两类：第一类是基于共享传输介质的数据传输的非抢优调度；第二类是基于共 享c p u 资源的控制任务的可抢优调度。在网络控制系统中，网络的数据传输是非抢优 的，即在某一个时段，网络将无法控制数据传输的暂停与否。网络控制系统的调度问题 可以分为两类：网络底层的调度和应用层的调度。网络底层调度即为协议层调度，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。协议层调度是 通过制定特定的网络协议来实现某些调度算法的，则该调度缺乏灵活性，只能适应少数 的算法。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。 调度算法所关心的是被控对象传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先权，而 不关心被发送的数据如何更有效地从出发点到达目的地以及当线路堵塞时应采取何种 措施，这些问题在网络层由线路优化和堵塞控制算法来考虑【7 1 。另外，发生在用户层的 调度控制还可以调度控制环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络中冲突现象的发 生，从而最大限度地减少数据的传输时延。 1 2 2 网络调度问题的研究现状 1 2 2 1 实时c p u 调度在网络上的推广 实时c p u 调度可以分为离线调度和在线调度：离线调度是指在离线的情况下根据 一定的优化算法产生任务执行的时间分配表。它的调度决策由于在离线情况下制定，因 此调度器的功能被弱化，只具有分派器的功能；在线调度是指大部分或全部调度决策在 系统运行时，由调度器执行某种调度算法来决定。两类调度策略在时间复杂度、空间复 杂度以及算法优劣等方面各具特色。调度算法是在某一特定时刻决定一个任务是否被执 行的规则集合，根据任务的优先级分配原则可分为静态调度、动态调度和混合调度等三 种。r m 8 l ( r a t em o m o t o n i c ) 算法和e d f l 8 l ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 算法分别是典型的静态 调度算法和动态调度算法，r m 算法实际上是d m 算法在任务的最后截止期限等于任务 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 周期时的一个特例。它们都属于丌坏调度算法，在可预见环境下能够很好地工作，但是 在不可预见环境下性能就很差，因此它们的任务模型对复杂应用的时间需求的表现能力 较弱。 n c s 中网络调度的思想与c p u 调度类似，它们均需要为并发任务分配共享信道资 源、周期性激发并发任务以及满足任务截止期要求等。在网络调度中各节点对网络带宽 的竞争的资源与实时任务调度中的处理器资源相对应；各控制回路中的节点向网络发送 的消息与处理器中被调度的多个任务相对应。因此，可以借鉴任务调度的理论和方法对 网络调度进行研究，把实时系统的任务调度方法推广到网络调度中，如非抢优r m 可调 度条件1 9 】和非抢先e d f 可调度条件【l o l 。b r a n i c k y 提出了r m 算法来调度n c s 的多个传 感器节点信息，给出了相应的稳定性定理，并提出了r m 调度和n c s 稳定性约束条件 下的最优调度问题【剐。 1 2 2 2 网络协议层调度 从网络层次来看，网络控制系统的调度方法可以分为协议层的调度和应用层的调度 两类。协议层调度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，如基于t o d 传输协议的动态规划算法和基于轮询机制的中间件调度【1 1 l 。它是 通过特定的网络协议来实现某些调度算法，因此缺乏灵活性，只能适应少数的算法。 1 2 2 3 网络优先级调度 网络优先级的调度是指网络应用层上的调度，它是上层应用程序根据调度算法而主 动地决策数据的发送规则。该规则和具体的网络协议无关，但网络优先级调度须在基于 优先权的网络上实现，如c a n 和d e v i c e n e t ，其中消息的优先权可以并到消息识别符中。 文献【1 2 】各提出了基于误差的优先调度策略，进一步文献 1 3 1 受最大误差优先( l a r g e e r r o rf i r s t ) 和m e f t o d 调度算法的启发，对不同控制回路赋予不同的权重，提出了一 种基于反馈的最大紧急度优先( m a x i m u mu r g e n c yf i r s t ) 的网络消息调度算法。它按照当 前事件的紧急度来动态调整控制回路的优先级，使控制性能得到改善，文献 1 4 ，1 5 】也提 及这种优先级调度思想。 1 2 2 4 采样周期和采样时刻的调度 n c s 中各个控制回路的采样周期将影响到系统的控制性能的优劣，同时各个回路的 采样时刻也会影响到数据包对网络信道的争用。第一种方法是采用了基于时间窗口的环 路采路时间算法i s 6 , 1 7 1 ，对n c s 的每一个控制回路的采样时间进行调度并应用于周期性 服务网络。第二种方法是基于晟大允许时延( m a d b ，m a x i m u ma l l o w a b l ed e l a yb o u n d ) 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的采样时问调度，因为网络诱导时延一般与网络的结构和协议有关，而m a d b 从对象 的模型中获得，与网络的协议无关。计算m a d b 的方法各不相同，如采用l y a p u n o v 理 论方法、黎卡提方程来计算m a d b 1 8 1 、线性矩阵不等式( l m i ) 方法1 1 9 1 等。通过这些方法 获得能保证系统稳定的每一个回路均不超过m a d b 的最大采样时间，并且对每一个采 样周期进行了带宽分配，保证周期性数据和偶发性数据传输的实时性，同时使非实时数 据传输带宽利用率变得最小化。第三种方法是基于带宽管理的回路采样时间算法，它的 基本原理是当控制过程在近平衡点时，控制回路所需的带宽就少；如果控制过程遇到干 扰，控制回路的带宽应马上增加以改善系统的性能，状态误差越大，分配带宽越多，采 样周期越小。如文【2 0 】采用一种增广状态变量的方法，基于带宽管理来动态计算回路的 采样周期，在每个采样周期中随着状态变量的更新，每个控制回路的带宽也随即动态更 新分配。 1 2 2 5 调度诱导问题及其补偿 对控制任务进行调度的同时也对控制系统带来了一些影响，主要体现在采样抖动、 输入输出时延和时延的抖动上1 2 1 l 。在理想情况下，控制任务要求具有严格的执行周期， 在点对点连接的系统中，这类执行周期都等于采样周期。在实际系统中，系统一般能承 受1 0 以内的采样抖动；而使用慢采样和小相裕度的系统对抖动的鲁棒性不强，容易导 致系统失稳。从理想控制角度看，从读取输入信号到控制量的输出的时延期望为零。但 实际系统的控制任务在执行和调度的过程中会带来时延可，固定的时延会减小控制系统 的相位裕度，从而降低闭环控制系统的性能【勿。对于这些问题可以通过控制器的设计来 进行补偿：一种方法是在设计控制器时具有一定的鲁棒性；另一种方法是在每个周期中 对时序的变化进行动态补偿。p a um a r t i 等f 2 3 2 4 】详细归纳了抖动的类别和出现抖动的情 况，对相应的情况进行了补偿设计。文献【2 5 】在满足实时性要求的前提下，通过确定网 络控制系统中各控制环节点的采样周期及其在最小倍周期时段内的数据传输序列，提出 折衷网络带宽资源的占用和传输周期抖动的两步优化调度算法。在兼顾周期抖动对控制 闭环动态性能影响的同时合理地调配了带宽资源，使系统具有较高的网络资源利用率。 文献【2 6 】提出一种反馈调度方法在线调节控制任务的截止时限，反馈控制器采用比例算 法，通过对其参数的自调整以动态满足整个任务集的可调度性，从而减少输出抖动。 1 2 2 6 可调度性分析和调度优化 在单处理器环境下，在调度分析中每个任务主要由三个特性来描述：任务周期互，截 止期4 和最大执行时间g 。可调度分析主要解决对每个被控对象的传感器同时获得的 采样数据传输进行调度。分析算法方式【2 7 2 8 1 是目前被广泛采用的一种可调度分析方法， 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 它可分为基于c p u 利用率的分析方法和基于最大响应时i 日j 的分析方法。基于c p u 利用 率的分析方法是首先计算处理器的利用率，然后通过一个与该利用率相关的测试条件来 判定系统的可调度性，基于最大响应时间的分析方法是先分析各任务的最大响应时间， 再将分析得到的最大响应时间与该任务的最后期限进行比较，如果所有任务的最大响应 时间都不大于其自身的最后期限，则系统是可调度的。这种基于最大响应时间的方法在 文献 2 9 ，3 0 q b 被广泛采用。调度优化是寻找一个最优的调度规则使性能计算函数取得最 小( 或最大) 。当网络资源有限而网络上负载较多时，合理调度网络上传输的数据，提高 网络资源的利用率，减少数据在网络上的传输时延，成为影响系统控制性能的关键因素。 w a l s h l 3 1 】讨论了在t o d 协议下，不同的调度策略对系统的影响，提出了最大误差优先调 度技术和t o d 协议，保证误差最大的数据的优先传输，并丢弃过时的数据而使用最新 的数据。更进一步，w a l s h 还研究了基于静态和t o d 调度的多包传输问题，并对此情况 下n c s 稳定性进行了证明。b r a n i c k y 等提出了r m 算法来调度n c s 的多个传感器节点 信息，给出了相应的稳定性定理，并提出了r m 调度和n c s 稳定性约束条件下的最优 调度问题。文献【3 2 1 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，在保证实时数据的实时性能基础上，进一 步提高网络的利用率。 1 2 2 7 控制和调度的协同设计 n c s 的性能不仅与控制算法有关，还与网络资源的合理使用和调度有关【3 3 。3 5 】。首先， 由于控制器作为控制系统中一个主要计算环节，承担了控制算法的实现，直接影响到系 统的控制性能。这一点可以归纳为n c s 的q o p ( q u a l i t yo fp e r f o r m a n c e ) i h - 题。其次， n c s 对于网络消息的调度由于争用信道从而直接影响到系统的时延大小，这一点可以归 纳为a o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) l n 题。因此，n c s 的调度算法应当兼顾q o p 和a o s 两个方 面根据系统构成的差异来设计具体的调度策略，在一定约束条件下取得总体性能的折 衷。最终目标就是在集成控制和调度的前提下，找到系统q o p 与q o s 之间一个最佳的结 合点，以求最有效地利用系统资源，实现系统的控制目标。 随着n c s 研究的深入，兼顾控制与调度的集成设计策略越来越受到人们的关注 m 刀j 。这个设计思想利用调度理论的成果把共享资源的有效性和控制设计结合起来。s e t o 在1 9 9 6 年率先对实时系统调度与控制的集成进行了研究，提出了将控制性能指标用于 多任务的调度中，给出了控制系统的性能与采样周期的关系，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。在文献【3 8 ，3 9 】中，作者提出了一个优化采 样周期和输入输出延迟的策略，控制性采用静态误差、超调量、上升时间、稳定时间来 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 描述。在此基础上，作者提出了一个用来在满足可调度性分析的前提下优化些性能指标 的启发式迭代算法；k i m i 删等进一步探讨了这个法，而s e t o l 4 1 】同样涉及最优采样周期的 选择，并提出了相应求解算法；b r a n i c k y i 8 j 等基于r m 算法研究了在满足网络可度性和 系统稳定性双重约束条件下，使网络利用率与n c s 统性能达到最优的采样周期优化问 题。 在控制与调度协同设计中，主要问题是寻找一个适合工程实践的能对控制系统整体 性能进行合理评价的指标。文献【4 2 】提出自适应控制器和反馈调度策略相结合的协同设 计方法，自适应控制器克服了在线自调整的一些限制，并且通过信息调度来动态管理控 制质量，从而优化了整个系统的控制性能。文献 4 3 1 提出了l q g 控制器和e d f 调度算 法相结合的控制和调度协同设计策略；文献【4 4 】提出了一种反馈控制和实时调度相集成 的模糊反馈调度方法，通过对控制任务周期的动态调整，在可用的c p u 资源受限和负 载不确定的情况下，系统仍能得到较好的控制性能。 1 3 论文的主要内容和工作安排 本文首先介绍了一下当前一些控制网络的特性，并对网络类型和协议进行了分析， 对实时调度和网络调度进行了比较；并通过t r u e t i m e 工具箱对网络协议层层调度和网 络应用层调度进行了仿真，比较了协议层下不同的总线协议在不同的网络负载情况下的 响应情况，并利用调度时序进行了分析：其次通过设计调度器实现r m 和e d f 调度算 法在网络应用层上的实现，并比较了两种方法的优劣：然后应用c a n 总线和d e v i c e n e t 协议下的时间上界给出了系统稳定的采样周期的范围，并结合r m 调度算法对采样周期 进行了优化；最后通过对资源受限时系统模型的分析，结合令牌总线协议调度确定性的 特点给出了最优控制器的设计，通过仿真证明该方法改善了系统的性能。 本文各章内容组织如下： 第1 章介绍了论文的课题背景、网络控制系统的基本情况，网络调度算法的研 究现状以及本文的主要内容。 第2 章详细比较并分析了以太网、控制网和设备网三大网络类型及其协议特点， 并对实时调度和网络调度进行了比较，着重介绍了r m 和e d f 调度算法。 第3 章利用t r u e t i m e 工具箱对网络协议层调度和网络应用层调度进行了仿真比 较，比较了不同网络协议机制下网络负载时的响应情况，并利用调度时序进行了分析， 考虑了在资源受限时增大采样周期优化网络特性；其次通过设计调度器实现r m 和 e d f 调度算法在网络应用层上的调度实现，并比较了两种方法的优劣。 第4 章考虑延时小于采样周期的网络控制系统，利用带有优先级的c a n 总线可 7 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 以得到每个子系统具有时延的上界，将系统的时延上界与稳定性判据相结合，最后利 用r m 可调度条件优化了采样周期，并通过仿真验证该方法既提高了系统的控制性能 又提高了系统的网络性能。 第5 章将资源受限时的调度模型与令牌总线协议调度时刻的确定性相结合，通 过有限时问最优性能指标给出了在令牌调度下的最优控制器的设计方法，最后通过仿 真验证了该方法的有效性。 第6 章总结与展望，对本文的工作进行了总结，并提出了有待进一步研究和深 入的内容。 8 东北大学硕士学位论文 第2 章预备知识 2 1 网络类型和协议 第2 章预备知识 根据控制网络的时间延迟特性，网络分为三种类型：随机网络、有界网络和常值 网络。顾名思义，在随机网络上传输的信息延迟时间是随机变化的，有界网络则表示 延迟时间有确定性的上界，而常值网络上的时间延迟保持定值。这样的分类主要从两 个器件间介质访问控制和时间延迟角度划分，这三种网络在实现上分别以以太网( 随 机) 、控制网( 常值) 和设备网( 有界) 为代表。这三种网络分别具有不同的调度方式， 数据包长度和网络的传输数率，下面将主要分析1 业中常用的三种网络，比较它们的 传输方式和调度特点。 2 1 1 以太网( c s m c d ) 以太网使用c s m a c d 机制来解决通信介质的冲突问题，即当某一节点有信息要 发送时，节点首先侦听网络，如果网络忙，它处于等待状态，直到空闲，否则立即发 送。如果两个或者多个节点同时侦听到网络空闲并且同时发送信息时，这些发送节点 的消息就会发生冲突，并导致信息发送中断。当发送信息时，该节点也必须侦听消息 的冲突，侦听到两个或者更多的消息冲突时，发送节点停止发送并且等待一个随机延 长的长度重新发送。这个随机的时间的长度由标准的二进制指数退避算法决定。 以太网的帧格式，帧头的总字节为2 6 个，数据帧的大小在4 6 1 5 0 0 字节之间， 因为规定了有效帧从目标地址到校验帧至少为6 4 字节，对于一个1 0 m b p s 的以太网， 最大长度为2 5 0 0 m ，允许的最小帧为时间5 1 2 s 它是在1 0 m b p s 的网上传输6 4 个字 节所需要得时间。 e t h e m e t 【4 5 l 是一个非确定性的协议并且不支持任何消息的优先级。在高负载的情 况下，消息的冲突相当严重，大大影响数据的吞吐量增加了时间延迟，且延迟可能没 有上界。e t h e r n e t 受这样的影响在于标准b e b 算法，节点退避而独占一段延长的时间 发送数据而不管其它节点是否在等待对介质的访问，这样导致了介质访问的不公平， 降低了网络性能。基于b e b 算法的消息在经历一系列冲突后会被丢弃，不能保证终 端对终端的通信。由此，可以看出以太网用于控制系统，适用于轻负载时的突发信息 长数据包的发送，如果增加竞争优先级机制从而提高关键包的响应时间，或者通过细 分网络结构到交换以太网即可用于网络控制系统。 9 东北大学硕士学位论文 第2 章预备知识 2 1 2 控制网( 令牌环和令牌总线) 生产自动化协议( m a p ) 、现场总线( f i e l d b u s ) 以及许多控制网络( c o n t r o l n e t ) 都是令牌总线和令牌环网的典型例子。因为在发送一个信息帧之前最大等待时间可由 令牌周期时间确定，所以它们都是有确定性时间延迟上界的网络。 令牌环是用于环形网络拓扑结构的介质访问控制协议( i e e e8 0 2 5 ) ，是最为普遍 的无冲突调度控制访问方式。称为令牌的特定格式的信息环绕行驶，把访问介质的权