（控制理论与控制工程专业论文）网络控制系统mts改进算法及调度和控制的联合设计.pdf

中文摘要 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 ) 是个融合了计算机技术、 通信技术和控制技术的分布式系统，它将不同地域的控制器、传感器、执行器等一 分布节点通过一个共享网络连接起来进行通信。这种基于网络的控制方式通信速 率高、结构灵活、网络资源共享，而且可以大大节省相关的安装、调试和维护的 时间及费用，尤其适用于远程控制；但是，网络的弓i 入也使得网络控制系统产生 了许多新的问题，如网络诱导时延、网络带宽受限、数据包丢失等，这些因素严 重影响了网络控制系统的性能。作为计算机网络技术在控制领域的延伸，同时又 是控制系统和通信网络的进一步发展，网络控制系统具有广泛的应用前景。网络 控制系统的调度与控制的研究是目前的热点研究方向，需要进一步地深入研究。 本文首先描述了网络控制系统的定义以及存在的基本问题，并介绍了网络控 制系统调度算法的研究现状，以及现有的网络控制系统调度与控制联合设计方法； 然后针对目前网络控制系统仿真平台存在的问题，以m a t l a b 和混杂系统理论为 基础，提出了一个新的n c s 仿真软件平台m s 2 的设计思路，并从混杂系统理论的 角度论证了实现m s 2 仿真平台的可行性； 其次，针对n c s 中的m t s 算法存在的实时数据和非实时数据间发生冲突时 网络资源如何分配的问题，从优先级的确定、采样周期内的空闲时问的分配和采 样周期的确定这三个方面进行了综合研究，提出了一个m t s 的改进算法，并通过 t r u e t i m e 工具箱进行了仿真验证。仿真结果显示，在三种不同情况下，改进的m t s 算法都表现出了良好的调度性能，并通过合理地分配网络资源，保证了实时数据 和非实时数据问不发生冲突，同时也保证了系统的网络诱导延时小于一个采样甩 期。从而保证了系统的稳定运行，因此说明了所提出的m t s 改进算法的有效性； 最后，采用了广义预测算法和e d f 调度算法进行了网络控制系统的联合设计， 这一设计方案兼顾了网络控制系统的调度性能和控制性能，文中给出了这种联合 方法的一般设计过程。以二个三回路的直流电机网络控制系统为例，通过t r u e t i m e 工具箱仿真验证，证实了联合设计的网络控制系统可以比没有进行联合设计的系 统体现出良好的控制和调度性能，并具有良好的抗干扰能力和网络适应能力，因 此保证了网络控南t 系统的优化运行。 图4 5 幅，表3 个，参考文献5 8 篇 关键词：网络控制系统；调度；m t s ；广义预测控制；联合设计 分类号：t p 2 7 3 a b s t r a c t 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 sad i s t r i b u t e ds y s t e l p _ w h i c hi st h e d e v e l o p m e n ta n dm e r g i n gr e s u l t so fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o na m o n gs e n s o r , a c t u a t o ra n dc o n t r o l l e ri n d i f f e r e n ta r e a so c c u r st h r o u g has h a r e dn e t w o r k t h ec o n t r o lb a s e do nn e t w o r kr e s u l t si n ah i g hc o m m u n i c a t i o nr a t e ，f i e x i b | ea r c h i t e c t u r ea n ds h a r e dn e t w o r kr e s o u r c e s ，e v e n g e n e r a l l yr e d u c e st h ei n s t a l l a t i o n ，r e c o n f i g u r a t i o na n dm a i n t e n a n c et i m ea n dc o s t s ， w h i c hi se s p e c i a l l ya d o p t e dt or e m o t ec o n t r 0 1 h o w e v e r , t h eu s eo fn e t w o r ka l s o i n t r o d u c e ss e v e r a ln e wc h a l l e n g e s ，s u c ha sn e t w o r k i n d u c e dd e l a y , b a n d - l i m i t e d n e t w o r k ，p a c k e td r o p o u ta n ds oo n ，w h i c hr e s t r i c tt h ep e r f o r m a n c eo fn c s b e i n gt h e e x t e n s i o no fc o m p u t e rn e t w o r ki nt h ef i e l do fc o n t r o la n da d v a n c e dd e v e l o p m e n to f c o n t r o ls y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，n c sh a sg a i n e dw i d ea p p l i c a t i o n si n p r a c t i c e t h ec o d e s i g no fs c h e d u l i n ga n dc o n t r o li nn c si sak e yf u t u r ed i r e c t i o n ， w h i c hn e e d sf u r t h e rr e s e a r c h f i r s t l y , t h ed e f i n i t i o no fn c sa n de s s e n t i a lp r o b l e m sa r ed e s c r i b e di n t h i sp a p e r , a n dt h er e s e a r c hp r o g r e s s e so fn c ss c h e d u l i n ga r ea l s oi n t r o d u c e d ，a sw e l la st h e r e s e a r c hm e t h o d si nc o - d e s i g no fn c ss c h e d u l i n ga n dc o n t r o l ；t h e n ，a c c o r d i n gt ot h e p r o b l e m se x i s t i n gi np r e s e n tn c ss i m u l a t i o nt o o l s ，t h ei d e ao fan o v e ls i m u l a t i o n p l a t f o r mc a l l e dm s 2i sp r o p o s e db a s e do nm a t l a ba n dh y b r i ds y s t e mt h e o r y , a n di t s v a l i d i t yi sa l s oa n a l y z e dw h i c hp r o v e st h a tm s 2m e t h o di s e f f e c t i v ef r o mt h e p e r s p e c t i v eo fh y b r i ds y s t e mt h e o r y t h e n ，a c c o r d i n gt o t h ep r o b l e m so ft h ec o l l i s i o nb e t w e e nr e a l t i m ed a t aa n d n o n r e a i t i m ed a t ae x i s t i n gi nm t sa l g o r i t h m ，am o d i f i e dm t sa l g o r i t h mi sp r o p o s e d f r o mt h r e ea s p e c t s , w h i c ha r et h ed e f i n i t i o no fp r i o r i t y , a l l o c a t i o no ff r e et i m ei na s a m p l i n gp e r i o da n dd e f i n i t i o no fs a m p l i n gp e r i o d ，a n dt h em o d i f i e dm t sa l g o r i t h mi s s i m u l a t e dt h r o u g ht r u e t t i m es i m u l a t i o nt o o l b o x i nt h r e ed i f f e r e n t c o n d i t i o n s ， s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d i f i e dm t sa l g o r i t h mr e s u l t si nb e t t e rs c h e d u l i n g p e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t hm t s a c c o r d i n gt o t h ep r o p e ra l l o c a t i o no fn e t w o r k r e s o u r c e s , t h em o d i f i e dm t sa l g o r i t h ma v o i d st h ec o l l i s i o nb e t w e e n r e a l - t i m ed a t aa n d n o n r e a i t i m ed a t a ，a n di ta l s ok e e p st h en e t w o r k i n d u c e dd e l a ys m a l l e rt h a nas a m p l i n g p e n o d t h e r e f o r e ，t h es y s t e mc a nb eo p e r a t e di nas t a b l ec o n d i t i o na n dt h ev a l i d i t yo f t h em o d i f i e dm t sa l g o r i t h mi sp r o v e d f i n a l ug p c a n de d fs c h e d u l i n ga l g o r i t h ma r ea d o p t e dt ot h en c sc o - d e s i g n r e s e a r c h ，a n dt h ec o - d e s i g nm e t h o dc o n s i d e r s , b o t ht h en c ss c h e d u l i n gp 矾o , m a n c e a n dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ，t h e nt h ep 眦e 鼹o ft h eg e n e r a lc o - d e s i g nm e t h o di s a l s og i v e n f r o mt h et r u e li m es i m u l a t i o nr e s u h sb a s e do nan c s w i t ht h r e el o o p so fd c m o t o r s , n c su n d e rc o - d e s i g nc o m p a r e dw i t hn c sw i t h o u tc o d e s i g n ，t h ef o r m e rs h o w sb e t t e r c o n t r o lp e r f o r m a n c ea n ds c h e d u l i n gp e r f o r m a n c e ，a n dab e t t e ra n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n d n e t w o r ka d a p t i v ea b i l i t y , s ot h en c sw i t hc o d e s i g ni sg u a r a n t e e dt oo p e r a t ei na n o p t i m a ls t a t e k e y w 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 c h e d u l i n g ；m i x e dt r a f f i cs c h e d u l i n g ； g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ；c o d e s i g n c i a s s n o ：t p 2 7 3 v 图索引 酎1 1 网络控制系统的一般结构l 图2 1t r u e t i m e l s 模块库1 3 圈2 2 有限状态机示意瞄17 图2 3s t a t e f l o w s i m u i n k m a t | a b 的关系一l7 图2 4m s 2 仿真平台原理l9 酎2 5 网络仿真模块设计的原理2 0 图2 6 控制模块设计的原理图2 1 圈3 1m t s 算法标志符结构图2 6 图3 2m t s 改进算法流程示意图2 9 图3 3 直流伺服电机2 9 图3 4 直流伺服电机模型方块i 璺i 3 0 图3 5 三同路网络控制仿真模璎结构图3 2 阻3 6 执行器模型3 2 图3 7 控制器模型3 3 阻3 8 传感器模型3 3 图3 9 调度时序图说明3 4 图3 1 0 一般m t s 算法调度时序图3 4 图3 1 l 改进m t s 算法调度时序图3 4 图3 1 2 网络诱导延时一3 5 图3 1 3 同路1 中系统的响应曲线3 5 图3 1 4 一般m t s 调度时序图3 6 图3 1 5 改进m t s 调度时序图3 6 图3 1 6 网络诱导延时3 7 幽3 17 同路1 系统相应曲线3 7 幽3 1 8 同路2 系统响应曲线一3 8 图3 1 9 同路3 系统响应曲线3 8 图3 2 0m t s 调度时序图3 9 图3 2 l 改进m t s 调度时序图二3 9 图3 2 2 网络诱导延时4 0 图3 2 3 同路1 系统响应曲线4 0 酎3 2 4 同路2 系统响廊曲线4 l 图3 2 5 同路3 系统响应曲线4 l 酎4 1 采样周期对控制系统性能的影响”4 8 图4 2n c s 的调度与控制的联合设计的一般方法5 2 酎4 3 三同路网络控制系统仿真结构图5 4 幽4 4 系统响应曲线：5 5 斟4 5n c o - d e s i g n 系统网络调度时序图5 6 幽4 6c o d e s i g n 系统网络调度时序图5 6 图4 7 系统响应曲线5 7 图4 8n c o - d e s i g a 系统网络 ；爵度时序斟5 8 图4 1 7 c o - d e s i g n 系统网络调度时序酎5 8 图4 1 0 系统响廊曲线5 9 酎4 1 l 同路l 系统响应曲线6 0 酎4 1 2 同路2 系统响应曲线一6 0 图4 1 3 回路3 系统响应曲线6 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一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了谢意。 学位论文作者签名：铿钦球处签字f 1 期：) 祈 年莎月8 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论毫作者签名：镗反权 签字同期：) c 7 年易月僭e 1 导师签 签字同期 砂轳 b 月谚同 致谢 本论文的相关工作是在尹逊和副教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。尹逊 和老师具有渊博的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力以及平易近人的师 长风范，他孜孜不倦地指导我的学习和研究，在此衷心感谢这两年来尹逊和老师 对我的无微不至地关心和指导。 在课题研究和撰写论文期问，付海涛、付强、彭海强、高冰等实验室同学对 我研究工作和论文中的内容都给予了我热情的帮助，在此向他们表达我的感激之 情。 至此论文完成之际，特向我的导师尹逊和副教授致以深深的敬意和衷心的感 谢。另外还要感谢我的家人和我的女友，特别是我的哥哥，他们的支持和鼓励使 我能够顺利地完成了硕士研究生阶段的学习任务和课题研究。 l 绪论 1 网络控制系统概述 1 1 1 网络控制系统的定义 网络控制系统州e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) 是指通过实时网络形成闭环的 反馈控制系统，如图1 1 所示1 2 j 。网络控制系统将不同地域的传感器、控制器、 执行器等分布节点通过网络连接起来，从而形成了结构更加灵活，功能更为强大 的控制体系。在技术层面上，这种基于网络的控制方式通信速率高、布线方便、 系统组建和组态灵活、网络资源分散且共享，尤其适于复杂对象的控制。在经济 效益层面上，这种控制方式可以大大节省相关的安装、调试、组态和维护的时问 及费用。因此网络控制系统在移动传感器网络1 3 j 、远程手术、通过网络的触感协作、 自动公路系统和无人飞行器1 4 】等领域都有着广泛的应用i l 】。 共享 c ，9 络 图1 1 网络控制系统的一股结构 f i g u r e1 1g e n e r a ln c sa r c h i t e c t u r e 网络控制系统是一门涉及计算机技术、通信技术和控制技术的交叉学科，涉 及内容比较广泛，因此网络控制系统在很多方面都优于传统控制系统，例如结构 网络化、节点智能化、控制现场化和功能分散化以及系统开放化等特点。其优点 主要表现在以下几个方面l i 爿： ( 1 ) 减少了系统布线，节约了成本。由于传统控制系统中各设备都要通过专线 进行连接，而网络控制系统中则通过共享网络的方式连接，这样就减少了大量系 统布线，从而节约了成本； ( 2 ) 提高了抗干扰的能力。由于传统控制系统中点对点连接传输的是模拟信 号，易受干扰影响，而网络控制系统中传输的是数字信号，抗干扰能力增强； ( 3 ) 增强了灵活性，易于扩展。传统控制系统中扩展或缩小控制规模时，必须 调整系统中与某一设备连接的所有设备，而在网络控制系统中，各设备通过单个 接口与网络相连，只需要通过软件的重新调整就可以实现； ( 4 ) 易于系统诊断和维护。网络的引入实现了信息资源的共享，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，便于监控并对故 障进行在线诊断； ( 5 ) 可实现远程操作和控制。网络控制系统可以充分发挥利用网络传输数据受 空f h j 限制小的优势，有效地增大数据的传输距离，从而实现远程操作和控制。 网络控制系统因上述优点已成为控制系统发展的主要方向，随着以现场总线、 工业以太网为代表的网络控制系统的相关解决方案的成熟、推广与应用，网络控 制系统显示出的效益越来越明显，因此网络控制系统的研究已成为国际控制界的 一个研究热点。 1 1 2 网络控制系统存在的问题 网络被引入到控制系统中后，控制系统易于实现资源共享、远程操作与控制， 提高了系统的诊断能力，网络控制系统的应用日益广泛，其理论研究受到越来越 多的关注。但是网络的引入带来优点的同时，由于网络自身的复杂性和多变性， 也引入了一些新的问题，如网络诱导时延、数据包丢失、网络带宽受限、节点的 驱动方式掣6 , 7 , 8 , 9 j ，传统的控制方法已不适用于网络控制系统。因此，在网络控制 系统的设计和研究中，不能忽略这些问题的存在，否则将严重影响系统的性能。 下面将简单介绍一下这些问题。 ( 1 ) 网络诱导时延 在网络控制系统的信息传输过程中， 化不规则，信息多包传输、多路径传输、 由于网络中源自多个设备的信息流量变 数据包碰撞、网络拥塞、包的时序错乱、 包丢失、包重传、连接中断等原因所弓 起的信息传输时间延迟称为网络诱导时延。 网络诱导时延因控制网络的不同，可能是恒定的、时变的、甚至是随机的。时延 会降低系统的性能，使系统的稳定范围变窄，甚至使系统不稳定，尤其是传感器 到控制器和控制器至i j 执行器的端至i j 端时延，直接影响到系统的稳定性和控制性能。 ( 2 ) 数据包丢失 2 在网络控制系统中，网络的阻塞和连接中断是导致数据包丢失盼一个因素， 其次由于节点竞争数据发送权需要花费时0 时，当节点在规定的时闻内仍然未能成 功发送数据，贝| j 该数据将被丢弃；另外，数据在网络传输过程中可能会发生错误 而被要求重发，如果该节点的数据在规定的重发时问内仍然没有成功发送数据， 则该数据包被丢弃。这些事件的发生都可被视为数据包丢失，如何在网络控制系 统的研究中，处理数据包丢失问题需要更进一步的研究。 ( 3 ) 网络带宽受限 网络带宽受限，指的是由于网络中的信息源较多，信息的传送要分时占用网 络通信线路，使得网络在一定的时问内只能传送有限量的数据信息，即网络的通 信速率是有界的；带宽约束是由网络的通信协议、带宽以及系统节点数目等因素 共同决定的，在很多情况下，有限的带宽通道都对网络控制系统的运转起到明显 的限制作用。 ( 4 ) 单包传输与多包传输 单包传输是指网络控制系统中传感器和控制器的数据被集中到同一个网络数 据包中一起发送，多包传输是指网络控制系统中传感器和控制器的数据被分到多 个网络数据包中分开发送。单包传输意味着传感器和控制器的数据同时发送同时 到达，多包传输意味着传感器和控制器的数据不会同时发送也可能不会同时到达。 采用多包传输，一方面由于分组交换网络中数据包的大小受到限制，只可以承载 有限的信息，大量数据必须被分解成多个数据包来进行发送；另一方面是因为网 络控制系统中的传感器和控制器通常分散在一个很大的物理区域，不可能将所有 数据都放入一个网络数据包。 ( s ) 节点的驱动方式 网络控制系统的节点的工作方式有两种：时钟驱动( t i m e d r i v e n ) 和事件驱动 ( e v e n t d r i v e n ) 。时钟驱动是指节点在采样时钟的作用下定时地采样信号，然后进 行发送；事件驱动是指信号到达节点，节点即被激活，然后对数据进行处理和发 送。在网络控制系统中，传感器一般采用时钟驱动，传感器的时钟即为系统的时 钟，而控制器和执行器一般是事件驱动，也可以是时钟驱动。 采用事件驱动与采用时钟驱动相比，具有以下优点：以控制器为例，控制器 为事件驱动时，由传感器发送的数据刚到达控制器立即参加运算，控制器为时钟 驱动时，其数据必须等待采样，前者客观上减少了网络诱导时延：控制器为事件 驱动时，控南懦和传感器之问不需要做时钟同步，而控制器为时钟驱动时必须考 虑控制器和传感器的时钟同步；控制器采用事件驱动方式，不必考虑控制器为时 钟驱动时容易出现的无效采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。但是事件 驱动与时钟驱动相比，较难实现，因为一些实际的网络系统不支持事件驱动方式。 3 丝 塞 銮烫丕堂亟堂僮途塞绪途 ( 6 1 时变的传输周期 传统的计算机控制系统都假设被控对象的采样局期为固定值，这种假设使得 对控制系统的分析大大简化。然而，在网络控制系统中这种固定采样周期的假设 将不再成立。网络控制系统将根据控制网络的介质访问控制协议( m e d i u ma c c e s s c o n t r o lp r o t o c o l ，简称m a c 协议) 来确定对采样数据的传输可以是周期的或是非周 期的。m a c 协议一般分为两类：随机接入( r a n d o ma c c e s s ) 和调度。载波侦听多址 接) k ( c a r r i e rs i e l 3 s em u l t i p l ea c c e s s ，c s m a ) 对采样数据的传输是随机的，它是随机 接入网络中虽常用的一种协议，而令牌传递( t o k e np a s s i n g ) 和时分多址存取( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，t d m a ) 等协议对采样数据的传输是周期的，它们是调度 网络中最常用的。 ( 7 ) 时钟同步 在网络控制系统中，当控制器和执行器有一个为时钟驱动时，便存在一个时 钟同步问题，时钟同步的目的是给两个或多个节点的内部时钟以同样的时钟信号。 时钟同步又可分为硬件同步和软件同步：硬件同步一般是在系统的各个节点之间 用导线相连；时钟同步信号由导线传递；在n c s 中，由于系统的节点有可能分布 在一个较大的物理空间，用硬件同步一般比较困难且代价昂贵，多采用软件同步 的方式，软件同步一般是通过在网络上定时广播具有较高优先权的同步时钟的方 式实现。 ( 8 ) 数据包乱序 数据包乱序，一般发生在具有路由、网关等中继环节的长时延网络控制系统 中。由于路由器( 或和带有路由功能的中继设备) 会根据网络的实际情况选择合适 的网络途径传输数据，因而相同节点发送的数据包可能会经过不同的网络路径到 达目标节点，另外数据包在中继环节的队列中等待的时间往往也不相同，因而造 成数据包的时序错乱。 数据包的乱序又可分为两种不同的情况，一是在单包传输的网络控制系统中， 由于数据包中的数据是完整的，乱序使得后发的数据先到；二是在多包传输的网 络控制系统中，不仅不同时刻的数据包的时序会发生错乱，而且同时刻数据的不 同数据包的到达时间也会参差不齐。这两种情况对于系统稳定性和性能的影响也 不相同，因而在网络控制系统的设计和分析中必须分别对待。 ( 9 ) 稳定性问题 网络控制系统的稳定性不能简单等同于网络的稳定性或者不含网络的控制系 统稳定性的叠加：若网络本身不稳定，数据在缓冲区中形成队列，网络导致的时 延可能会使控制系统不稳定。但是网络不稳定，控制系统也可能是稳定的；反之， 网络稳定，控制系统也不一定稳定。 4 ( 1 0 ) 信息安全问题 因为控制信号、检测信号都是通过网络来传输的，网络控制系统将面临和一 般据网络同样的安全性问题。来自网络用户的恶意进攻，未授权用户对设备的非 法访阎，外部公司对信息的窃取都对网络控制系统的信息安全问题提出了考验。 因为网络控制系统直接面向生产，它的可靠性、安全性是第一位的，所以信息安 全问题将是一个重要的问题。 如何在网络控制系统的研究和应用中解决这些问题，以改善系统性能，是网 络控制系统的主要研究内容。因为这些问题的存在，如果处理不当，将严重影响 网络控制系统的性能。目前，控制算法和调度的联合设计是热点研究趋势。由于 网络控制系统的技术体系和理论基础还不够成熟，理论的研究远落后于其应用， 因此网络控制系统的理论方法的研究具有重要的学术价值和经济效益。本文主要 研究网络诱导延时和数据包丢失的问题。下面将分两节介绍网络控制系统调度算 法研究现状，以及调度与控制联合设计的研究现状。 1 2 网络控制系统调度算法研究现状 网络控制系统中的信息调度指的是：确定网络节点发送数据的次序、发送时 刻和时间问隔，一般发生在网络应用层，或者网络传输层的上层。在有限带宽资 源条件下，信息调度可以充分利用网络带宽、合理调度网络控制系统中的各类数 据以满足不同的实时性要求，有效地控制网络的负载，提高网络的运行性能，并 能够有效地减少网络的诱导时延、数据包丢失、时序错乱等问题的发生概率，以 削弱由于网络的介入而对控制性能造成的负面影响。 n c s 中的信息调度算法可以分为3 类 1 0 a ! 】：静态调度算法、动态调度算法、动 静态混合调度算法。静态调度算法离线分配好各节点的带宽或者优先级，在系统 运行过程中保持不变；动态调度算法考虑n c s 中信息流的时变性，根据系统需求 在线调整各节点的带宽或者优先级；动静态混合调度算法针对实时性要求不同的 数据采用分别对待的方针，实时数据采用动态调度，非实时数据采用静态调度， 以提高网络资源的可调度性。 下面分别从网络控制系统的静态调度、动态调度以及混合调度三个方面来阐 述网络控制系统调度的研究现状。 1 2 i 静态调度算法 静态调度是一种离线分配优先级的调度算法，它完全按照调度算法预先分配 5 好的顺序执行任务，在系统整个运行过程中都保持不变。典型的静态调度算法有 固定优先级( f i xp r i o r i t y ，f p ) 调度算法、速率单调( r a t em o n o l o n i c ，r m ) 调度算法、 时限单调( d e a d l i n em o n o t o n i c ，d m ) 调度算法、基于时问窗的静态带宽分配算法等。 f p 调度算法直接指定任务的优先级大小，是最简单的一种调度算法，但也是 适应能力最差的静态调度算法。 r m 调度算法是从c p u 调度算法中借鉴过来的，它最早由l i u 等1 1 2 j 在1 9 7 3 年提出，该算法根据任务的采样周期确定优先级，采样周期越小优先级越高，一 般情况下，系统中任务的采样周期是固定的，所以这种调度算法属于静态调度。 在c p u 调度当中，r m 调度算法是可抢优的，即当前执行的任务会被新到达的优 先级更高的任务打断。z h a n g 心等i l ”在分析比较了c p u 调度与n c s 调度的相似 之处后，对c p u 调度中的r m 调度算法的可调度性条件进行了改进，提出了面向 非抢优调度任务的r m 调度算法，并将其应用到网络控制系统中。 d m 调度算法1 1 3 , 1 4 】是根据任务的时问限制确定优先级，时限越小则优先级越 高。一般来说，周期任务的截止期与其周期相同，所以r m 与d m 调度算法对周 期数据具有相同的意义；对于非周期数据，采用d m 调度算法可以取得更好的调 度效果。 基于时间窗的静态带宽分配算法，是将基本传输周期分割成多个时间段，每 个时间段为一个时间窗口，时间窗的长度取决于数据信息的长度以及网络的传输 速率。这种调度算法的特点是每个数据包均拥有属于自己的时间窗口，避免了数 据在传输过程中的干扰和冲突。h o n g 等【l5 】首先将该调度方法应用于循环服务型 n c s ，进而将其推广到c a n 网下的n c s 中。针对h o n g 等提出的调度方法只限于 调度网络中的周期数据，刘鲁源等i l6 j 将h o n g 提出的方法改进后提出基于“同步相” 和“异步相 的时问窗调度算法，用于调度t t c a n ( t i m e t r i g g e r e dc a n ) 中的周期 数据和非周期数据传输。其中，“同步相”的时间窗口用于传输控制回路产生的周 期数据，“异步相”的窗口用于传输非周期数据。 这一类调度算法的主要优点是运行丌销较小，但是资源利用率低、灵活性较 差，适合于系统资源比较确定且较小的情况。f p 调度算法最简单的一种调度算法， 也是适应能力最差的静态调度算法：r m 调度算法被认为是静态调度中最优的调度 算法，适用于调度n c s 中的周期数据：基于时间窗的静态调度算法需要事先已知 网络的负载量、数据的传输时问以及非周期数据产生的时问间隔等参数，适用于 采用专用通信网络的n c s 。 1 2 2 动态调度算法 6 动态调度算法是一类动态调整优先级的调度算法，也就是在线地分配优先级。 目前常用的动态调度算法有：最早时限优先( 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、 最大误差优先尝试一次丢弃( m a x i m u me r r o rf i r s t t r yo l c ed i s c a r ds c h e d u l i n g m e t h o d s ，m e f - t o d ) 调度算法、基于死区的动态调度算法( d y n a m i cs c h e d u l i n g m e t h o d sb a s e do nd e a db a n d ) 、模糊动态调度以及基于“时间窗”的动态调度算法 等。 e d f 调度算、法【7 】是根据任务距离时限要求的大小来分配任务的优先级，距离 时限越小优先级越高。e d f 调度算法的优点是提高了处理器利用率，只要系统中 有任务需要调度，处理器就不会处于空闲状态，但是其调度原则单一，可预测性 和适应能力较差。 m e f t o d 调度算法由w a l s h 等i 堪】最早提出，该算法基于在线获取的网络诱 导传输误差，动态分配网络带宽，当多个节点在传输中发生冲突时，具有最大误 差的节点优先传输数据，竞争失败的节点则放弃本次传输。该方法在保证信息的 可靠性和实时性方面具有一定的优势，但是有可能导致数据包丢失而使系统性能 下降。 基于死区的动态调度算法由e o t a n e z 等【l9 】提出，该方法通过对网络中的各节 点设置传输死区，控制访问网络的数据量，以达到改善网络服务质量的目的。基 于死区的调度算法在确保系统性能的基础上动态地丢弃一定比率的数据，以减轻 网络的负荷。但是当多个获准访问网络的数据包同时竞争网络资源时，该算法不 能确定数据包发送的优先级。 基于控制理论的调度设计算法。白涛【2 0 】等针对c a n 网将模糊控制理论引入到 n c s 信息调度中，利用基于l f - t h e n 规则的模糊逻辑确定数据传输的优先级，模 糊调度器由模糊化接口、规则库、模糊推理机、解模糊接1 2 1 4 部分组成，输入为网 络中各节点当前数据的q o s 、节点的数据标识值、前一次成功传输数据的优先级， 输出为网络中各节点当前数据的优先级设定值。模糊动态调度算法的设计利用了 c a n 网的广播特性，在应用范围上受到了一定的限制，仅适用于c a n 网下的网 络控制系统。 r a i a 等1 2 u 提出优先级循环服务和动态时间窗的带宽分配算法，该算法是对基 于时问窗的静态调度算法的改进，将基本传输周期分为周期时问窗和非周期时间 窗，动态地交替扩展了两类时间窗来传输数据，若周期数据在规定的时间窗内未 传输完毕时，可以动态地占用非周期数据的时问窗。与基于时问窗的静态调度相 比，基于时l 日j 窗的动态调度算法的灵活性更好，网络资源利用更充分合理。但两 者均需要离线分割好时间窗口，并且要求网络的一些参数已知。 优先级动态提升算法，n a v e tn 掣2 2 j 针对网络控制系统中存在多类数据的情况， 7 提出了双优先级d p p ( d u a l p r i o r i t yp r o t o c o ) 动态调度算法，把优先级范围戈i j 分为 “低硬实时、“软实时”和“高硬实时”，对于新产生的硬实时消息先把其放在“低 硬实时 优先级队列中，让软实时消息先发送，只有当硬实时消息变得紧急时，再 把其优先级提高到“高硬实时”优先级，这样可以减少软实时消息( 控制消息) 的平 均响应时间。 动态调度算法根据当前的系统运行情况进行调度，能够合理地利用网络资源， 有较强的灵活性，但是这类调度算法的运行开销较大。由于其调度性能良好，所 以与静态调度相比，动态调度算法得到了更多的关注。 1 2 3 混合调度算法 通过上面的介绍和分析，静态调度算法的运行开销较小，但是资源利用率低、 灵活性较差，适合于系统资源比较确定且较小的情况；而动态调度算法与静态调 度相比，具有良好的调度性能。在设计调度策略时，考虑到数据实时性要求不同 和网络环境，可以分别采用不同的调度策略，以提高网络资源的可调度性。 曹万科等【2 3 】针对汽车控制系统c a n 总线在处理周期性信号和随机性信号时 具有不确定性和信息易死锁等缺陷问题，把服务于时间触发的均匀装载( a l ) 算法 和服务于事件触发的动态优先级提升( d p p ) 算法相结合，提出了一种基于时间触发 的控制器局域网( t t c a n ) 协议的混合调度策略，通过应用实例分析，验证了该方案 满足汽车控制系统的实时性要求。 鲍全兵等【2 4 j 在r m 和改进d b p 调度策略的基础上，提出了一种混合( r ma n d i m p r o v e dd b ph y b r i d ，r i d h ) 调度算法。该算法根据系统负载的不同采用不同的 调度策略，它在负载较小时采用r m 调度；当系统利用r m 算法不可调度时，利用 改进的d b p 算法来调度系统任务。 陈丹丹等l ? 牲最大误差优先算法的基础上，提出以最大优先变化为主，越长 时间越低优先级为辅的混合调度算法，丰富了优先级的确立依据。仿真实验结果 表明，该混合调度算法能够有效提高控制系统的整体性能。在一定程度上提高了 控制系统的整体性能，尤其是在网络负载较重时，仍能使系统保持较好的控制性 能。 z u b e r i 等1 2 6 j 针对c a n 环境下的网络控制系统提出一种m t s ( m i x e dt r a f f i c s c h e d u l i n g ) 的混合调度算法，该算法考虑到系统对数据实时性要求不同，将静态 的d m 算法与动态的e d f 算法混合运用，利用e d f 算法调度n c s 中实时数据， 利用d m 算法调度非实时数据，以实现综合提高网络性能的目的。 m t s 中动态调度策略的灵活性可以保证周期数据和紧急数据的实时性，d m s 调度策略可以确保非实时数据在规定的时限内完成传输，因此，m t s 提高了全局 的网络服务质量。但m t s 中仍需考虑的问题是，m t s 虽然可以保证同类数据l b j 不 发生冲突，但是无法保证实时数据和非实时数据问不发生冲突，当两者发生冲突 时网络资源如何分配有待进一步研究。针对这个问题，本文将在第三章对m t s 算 法进行研究和改进。 1 3 网络控制系统调度与控制的联合设计研究现状 在网络控制系统中，n c s 的性能不仅与控制算法有关，而且还与网络环境和 调度算法有关。网络调度的目的是尽量避免网络冲突和拥塞现象的发生，从而减 少网络诱导时延、数据包丢失率等问题，保证良好的网络环境。如果网络中出现 了数据不可调度的情况，那么控制算法已经不能从本质上对系统性能进行改善， 因此只有调整调度算法，规定传感器