（检测技术与自动化装置专业论文）网络控制系统的调度方法研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着控制系统规模的扩大和飞速发展的计算机、网络及通讯技术，将网络及 通信技术应用到控制科学领域的一种分布式、网络化、智能化的网络控制系统 ( n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m 。n c s ) 成为国内外研究的热点之一。由于控制系统中网 络的引入，不可避免产生网络时延；另外，网络有限的带宽资源和承载能力由多 个控制回路共享，导致控制系统动态性能下降甚至不稳定。网络控制系统的性能 不仅与控制算法有关，还与网络资源的合理调度有关。本文主要研究网络控制系统 的调度方法，使整个n c s 的性能达到优化。 首先，叙述了网络控制系统的发展及其特点，概述了网络控制系统中调度研 究的基本问题，综述了网络控制系统的调度国内外研究现状。 其次，针对网络控制系统中网络诱导时延，将传感器到控制器的时延以及控 制器到执行器的时延分离出来讨论，建立了一个n c s 模型，以具体的实例详细分 析和研究了网络诱导时延对反馈控制回路的性能的影响。提出了一种利用线性滤 波器在线同步辨识出网络时延以及系统的动态特征参数的方法，以实例证明了该 方法的有效性，并且分析了n c s 稳定性。 随后，提出了一种基于在线时延辨识的网络控制系统调度方法。通过对各控 制回路采样周期的合理调度和网络中各类信息的带宽分配，一方面保证了各控制 环路的控制性能，另一方面提高了网络资源的利用率。运用m a t l a b t r u c t i m e 仿真 软件进行验证，结果表明该算法合理、充分地利用了网络资源，使得系统具有较 高的网络资源利用率并满足了系统的实时动态性能要求。 最后对本文的主要工作进行了总结，并指出了网络控制系统调度中有待进一 步研究的问题。 关键词：网络控制系统；调度；网络时延；采样周期；辨识 网络挣制系统的调度方法研究 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ms c a l ea n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e rn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya r ea p p l i e dt ot h ec o n t r o lf i e l da n dl e a dt ot h en e wd e v e l o p m e n to f n e t w o r k e dc e n t r e ls y s t e m ( n c s ) ，w h i c ha r ed i s t r i b u t e d ，n e t w o r k e da n di n t e l l i g e n t t h er e s e a r c ho fn c sb e c o m e so n eo fh o tf o c u sb yt h ed o m e s t i ca n do v e r s e as c i e n t i s t f o rt h ei n t e r v e n t i o no fn e t w o r ki nt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h en e t w o r k e dd e l a yi s u n a v o i d a b l e f u r t h e r m o r e ，t h el i m i t e dn e t w o r kb a n d w i d t ha n dl o a dc a p a b i l i t ys h a r e d b yt h em a n yc o n t r o ll o o p sl e a dt od e c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e ma n d i n s t a b i l i t y t h ep e r f o r m a n c eo fn c s i sr e l a t e dt on o to n l yc o n t r o ls t r a t e g yb u ta l s ot h e s c h e d u l i n go fn e t w o r kr e s o u r c e i nt h i st h e s i s ，i ti sm a i n l ys t u d i e dt h es c h e d u l i n go f n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ei d e n t i f i c a t i o no fo n l i n en e t w o r k e dd e l a yi n o r d e rt oo p t i m i z ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l es y s t e m f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ta n ds o m e f e a t u r e ss p e c i f i ct on c s sa r ei n t r o d u c e d s o m e b a s i cp r o b l e m sa n dr e c e n ta d v a n c e si nr e s e a r c ha r e aa r ed i s c u s s e di nd e t a i l s e c o n d l y , f o c u $ o nt h en e t w o r k e d d e l a yo fn c s t h ed e l a y ( s e n s o rt oc o n t r o l l e r ) a n dt h ed e l a y ( c o n t r o l l e rt oa c t u a t o r ) a r ed i s c u s s e ds e p a r a t e l y b a s e do nt h ee s t a b l i s h e d n c sm o d e l ，t h en e t w o r k e dd e l a yi n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c eo ff e e d b a c kc o n t r o l l o o pi sa n a l y z e di nd e t a i l e de x a m p l e f u r t h e r m o r e ，u s i n gf i l t e ro p e r a t i o n ，i ti s p r e s e n t e da l li d e n t i f i c a t i o nm e t h o dw h i c hc a ne s t i m a t et h en e t w o r k e d d e l a yo n l i n e ，a s w e l la st h ea v a i l a b i l i t yo ft h i sm e t h o da n dt h es t a b i l i t yo fn c s t h i r d l y , t h es c h e d u l i n go fn e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h eo n - l i n e n e t w o r k e dd e l a yi d e n t i f i c a t i o ni ss t u d i e d t h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rn e t w o r k c o n t r o ls y s t e m sc a na d j u s tt h es a m p l i n gp e r i o da n da l l o c a t et h eb a n d w i d t ho ft h e n e t w o r kf o rt h r e et y p e so fd a t a g u a r a n t e e i n gt h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n di n c r e a s i n g n e t w o r kr e s o u r c e s w i t ht h es i m u l a t i o nb ym a t l a b t r u et i m es o f t w a r e ，t h ep r o p o s e d s c h e d u l i n gm e t h o di sa v a i l a b l ea n dc a no p t i m i z et h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e f i n a l l y ，t h er e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ep r e s e n t e d t h ei n n o v a t i v ei d e a sa n dt h e r e m a i n i n gp r o b l e m st h a tn e e df u r t h e rr e s e a r c ho ft h es c h e d u l i n go fn e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m s ( n c s s ) a r ep o i n t e do u ti nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m ；s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ；n e t w o r k e dd e l a y ； s a m p l i n gp e r i o d ；i d e n t i f i c a t i o n n 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：构珩冲卜 日期：。7 年厂月多日 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。本人授权兰 州理工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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密田。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：石4 g 砰 呤作者签名：7 什7 刈、 导师签 日期：1 年岁月v 日 日期7 年j ，月叫日 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 网络控制系统的发展及其特点 随着控制科学和飞速发展的计算机网络和通讯技术，越来越多的控制系统将 基于网络来运行，相比固定的点对点的连接更加廉价和可靠。传统控制系统中点 对点的通信模式，在工业中成功地应用了几十年，然而随着物理设备和系统功能 的扩充，点对点的通信模式在控制系统的信号传输中已显现出局限性。如图1 1 所 示是传统控制系统的结构图。从图中可看出，传统控制系统的控制器和被控对象 之间的连接采用专线，连接繁杂。这样的系统已不能满足控制系统模块化、实现 先进控制、分散控制、集成诊断、便捷维护和低成本等的需要。 图1 1 传统控制系统结构图 目前，将网络技术应用到控制领域的一种分布式、网络化、智能化的网络化 控制系统( n e t w o r k e d c o n t r o ls y s t e m n c s ) ，即网络控制系统，其典型结构如图1 2 所示。从图中可以看出，所谓的n c s 就是指控制回路通过实时网络形成闭环的反 馈控制系统，其特征是控制指令、传感器数据和系统信息的传输通过通信网络来 实现0 - 5 】。网络上的设备，包括传感器、控制器和执行器等都带有网络接口，安装 在网络链路上而成为实时控制网络中的独立节点，节点之间通过网络传输实时或 非实时信息，使该区域内不同地点的用户实现资源共享和协调操作。 图1 2 网络控制系统典型结构图 网络控制系统的调度方法研究 网络控制系统是一种完全分布式与网络化的实时反馈控制系统，将闭环控制 回路分散于实时串行网络上，突破信息的封闭和局限性，形成了以网络集成自动 化为基础的工业控制系统。不同于一般的网络系统，其传输的消息具有数据少， 传输周期小和实时性要求高等特点。网络控制系统与传统的控制系统相比具有以 下优点【6 】： ( 1 ) 简化布线：由于传统控制系统中各设备通过专线进行连接，而网络控制系 统中各设备以总线方式共享物理传输介质，节省了布线； ( 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 ) 简化了系统重新配置的过程：如果在传统控制系统中移除一个控制设备，就 必须调整与该设备相关的所有连接，而在网络控制系统中，各设备通过单个接口 与网络相连，一个设备的移除与移动不会影响其它设备的运行； ( 4 ) 消息的可访问性：传统控制系统中，节点传输的消息只能被与该节点连接 的节点接收，而在网络控制系统中传输的消息、可以被网络中的所有设备接收。 但是同时在控制系统中引入网络也带来了以下缺点【叼： ( 1 ) 网络成为通信的瓶颈：在传统控制系统中，传感器通过专线与控制器直接 相连，控制器可以在任意时刻发送与接收信息，而在网络控制系统中，物理传输 介质被所有设备共享使数据传输产生网络时延，控制器不能在任意时刻发送与接 收数据，而必须竞争得到网络的访问权才能发送数据，所以必须对网络中的通信 进行调度管理，以满足消息的实时性要求； ( 2 ) 网络中时间的不一致性：由于网络控制系统分布式的特点，造成没有单一 的时钟提供同步机制，不能保证消息的时间基准一致与调度管理的同步； ( 3 ) 容错能力的下降：实时系统必须具有一定的容错能力，但是由于网络中所 有设备共享物理传输介质，传输介质的损坏会造成整个系统的瘫痪，造成容错能 力的下降。 网络控制系统的应用场合主要分为两方面：一方面是远程控制，实现远程操 作、远程医疗、远程教学和实验，典型应用包括基于天际网络空间实验室遥操作 机器人、远程外科手术等；另一方面是局域控制，典型应用包括网络家电、蓝牙 技术、办公自动化系统和计算机集成制造系统等。因此，网络控制系统的应用前 景广阔，它可以解决复杂工业控制中由于分布式和远距离导致的控制系统的难题； 可以应用在危险环境( 如水下作业，空间载体控制及核工业等领域) 下工作的控制 系统中。所以，网络控制不仅可以应用于复杂的工业控制领域，而且在机器人工 业、航空及航天领域也极具潜力。 总之，网络控制系统与传统的控制系统相比，具有结构简单、连线少、适应 能力强、成本和能耗较低、可靠性高，而且资源可以共享，便于安装和维护，在 2 坝r 学何论文 设计和扩展方面具有很高的灵活性。另外，使用无线网络技术还可以实现使用大 量广泛分散的廉价传感器与远距离的控制器、执行器构成某些特殊用途的n c s ， 这是点对点结构的控制系统所无法实现的。网络控制系统是3 c ( c o n t r o l ，c o m p u t e r ， c o m m u n i c a t i o n ) 学科相交叉的产物，适合用于需要数据交换的分布式或远距离控制 系统。 1 2 网络控制系统中调度基本问题 由于网络环节的加入使得网络控制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。传感器、控制器及执行机构之问共享通讯网络的时间分配( 调 度) 是n c s 性能好坏的关键因素。因此，控制回路的性能不仅仅依赖于控制算法的 设计，也依赖其共享网络资源的调度。 在网络控制系统中，为了保证系统的稳定性，每个对象都要以一定的传输率 传输传感器所采集的数据。但是每个n c s 都和其它n c s 共用一条传输路径，这就 导致来自多个传感器的数据同时访问网络而产生共享冲突。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【7 1 。这里所说的网络调度发生在网络用户层，而不是发生在传输层。 然而，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间或通信的及时性。从n c s 时态特 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间以及 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，即使系统在没有网络的时候渐 近稳定，并且网络任意快，但如果选择了一个很差的调度算法，可能导致最终闭 环的网络控制系统不稳定( 例如在极端的情况下，每次都采样同一传感器节点，对 别的传感器节点始终不做采样) 。 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，c p u 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。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。 3 网络挣制系统的调度方法研究 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【8 】。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。粗略地说，n c s 中的网络调度问题就是基于一个调度算法对网络中的每个传送实体，配置一个传 送调度方案，调度算法就是在任何时间确定发送信息的顺序的一组规则。在这里， 传送实体可以是对象的一个传感器或者一组传感器。n c s 中的网络调度就是要确 定当发生信息传送碰撞时，谁发送、什么时候发送、以什么优先级发送。这样， 进一步可以缩短网络产生的时延同时优化整个系统的性能。 调度研究的基本问题就是设计一种调度算法，结合相应的控制策略，考虑网 络控制系统的整体性能，在提高控制系统性能的同时，节约网络资源，使整个系 统达到优化。一般情况下，网络控制系统有很多控制回路，每个控制回路互不干 扰，但是都通过同一媒体交换信息，这时要根据各个回路的特点，合理选择每个 回路的采样周期，使得采样周期小于其最大允许网络延时。 因此，网络控制系统中调度主要是调度需要控制网络传输的信息。主要分为 两类：实时性信息和非实时性信息。而实时性信息又分为周期性信息和非周期性 信息。实时性信息对时间要求非常苛刻，一般情况下不允许有很大的延迟。对大 多数实时性信息而言，只有最新的信息是有意义的，如果在某一时间段内，某一 信息由于某种原因未能作用，而此时下一个信息已经产生，则该信息将被丢弃， 而启用最新的信息，因此实时性信息一般不要求重发。实时性信息的数据量相对 较少，对带宽的占用率较低。非实时性信息对时间要求不是很苛刻，允许有相对 较长的时间延迟，但是这种信息的数据量相对较大，对带宽的占用率较高。绝大 多数非实时性信息都是有意义的，不允许丢失。 本文将在应用层的调度上展开讨论。对予应用层调度的研究主要是通过搭建 一个多任务的网络控制系统，然后综合考虑调度与控制以提高系统性能，针对网 络中的周期性信息、非周期性信息和非实时性信息，设计合理的采样周期，研究 如何在应用层实现对n c s 各个任务之间的调度。 1 3 网络控制系统中调度研究现状 目前针对n c s 中的网络调度方法主要有两种：第一种是把成熟的实时系统的 任务调度的方法推广到网络传输中9 a o 。第二种是对n c s 中各个控制环中数据传 4 _ 魄士掌位论文 输节点采样周期和采样时刻的调度d i a 2 j 。 本节针对现有n c s 调度方法的不同特点，分别从开环调度、自适应调度、反 馈控制调度以及控制与调度集成设计与系统优化等方面对该领域的工作进行叙 述。 1 3 1 开环调度方法 n c s 中的网络调度类似于复杂实时运算系统的c p u 调度，实时调度算法分为 两大类：静态调度算法和动态调度算法。 ( 1 ) 静态调度 静态调度是在编译的时候就做出决定，从就绪任务队列中选择哪个任务来运 行的，这类调度算法假设系统中实时任务的特性是事先知道的，它脱机地进行可 调度性分析，并产生一个调度表。调度器在运行时将依照这张表所提供的信息选 择任务来运行。这类算法有固定优先级调度算法、比率单调法( r m ) 和截止期单调 法( d m ) 。比率单调调度( r m s ) 算法是一种典型的静态调度算法。该算法其实是一 种简单的规则，它根据各个任务不同的周期来分配优先权。特别地，周期越短的 任务拥有越高的优先权。是一种固定优先权分配的算法，任务在执行之前就分配 好传输优先权，并在整个过程时间当中不再改变。此外，r m 算法是可被中断的， 当前执行的任务会被新到的更短周期的任务中断。 l i u 和l a y l a n d t ”l 在1 9 7 3 年提出针对周期等于时间限的周期任务的比率单调法 r m 算法，这是根据消息的周期来分配消息的优先级，消息的周期越小则优先级越 高，在静态优先级算法中是最优的。d a v i d 等【1 4 】考虑任务之间的时间约束，基于截 止期单调法d m 算法，是根据消息的截止期来分配消息的优先级，消息的截止期越 小则优先级越高。一般来说，周期性消息的截止期与其周期相同，所以r m 与d m 对周期性消息具有相同的意义；而对于非周期消息，由于不存在周期，所以对于 非周期性消息采用d m 可以取得更好的调度效果。 在静态调度中，调度算法对任务集和它的约束信息完全了解，例如最终期限、 计算时间、优先权约束和未来的释放时间，节点的优先权和它们传输的顺序事先 己经定义好了静态调度适合于问题需求比较确定的情况，如工业过程控制。静 态调度算法的优点是运行开销小，可预测性强，一旦找到了一个调度解决方案， 便能够保证所有任务的截止期都可以被满足。但是，它有个明显的缺点就是：对 那些到顺序传输的节点来说，它们的数据没有变化或变化很小的情况，浪费了数 据变化较大的节点的传输机会，而且静态调度算法一旦作出调度决定后在运行期 间就不能再改变了，所以它的灵活性较差，不适合不可预测环境下的调度。 ( 2 ) 动态调度 动态调度是在运行期间才决定选择哪个就绪任务来运行，它只考虑目前就绪 5 两络榨制系统的调度方法研究 的任务集内任务的特性，以此来决定当前的调度序列，对未来将要到达的任务的 特性却一无所知。在动态调度算法中，调度算法对任务集和它的约束信息不完全 了解，在系统运行的时候决定网络的分配。实现动态调度的困难在于决定哪个节 点可以获得网络的信息，而不是所有的节点都能同时获得。 e d f ( e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 1 1 3 1 算法是一个典型的动态调度算法，那些在周期 结束之前可以完成的任务将具有较高的优先权。该算法是一个动态优先级调度算 法，它可以调度周期和非周期任务。该算法是根据目前时刻与已释放的任务的截止 期之间的差值来确定当前需要执行的任务，其差值最小的任务总是最先被执行， 即它的优先级是最高的。这种调度优先级定义方式表明了在每个时刻都要计算下 个时刻系统中哪个任务的时限最小，从而决定了系统在下个时刻应该调度哪个任 务。e d f 调度算法在每个时刻都要计算处于等待调度状态的任务调度优先级，系统 下个时刻调度的任务是不确定的，与系统中其他任务有关系，这种方法使得系统 适应性比较好，但工作量比较大。对于相互独立的周期任务，l i u 和l a y a n d 1 】首先 指出e d f 调度算法在动态优先级中是最优的。动态调度算法需要对变化的环境做 出反应，因此，这类调度算法比较灵活，适合于任务不断生成，且在任务生成前 其特性并不清楚的动态实时系统。但是，动态调度算法的可预测性差且运行开销 较大。 m e f t o d ( m a x i m u m e r r o r - f i r s tw i t ht r y o n c e d i s c a r d ) 1 】也是一种动态调度算 法，具有最大误差的节点将获得网络的使用权来送一次信息。可以通过误差编码 来实现动态调度，一个节点是否可以获得网络取决于它的误差范数的大小。基于 节省带宽的考虑，在对这些误差的范数进行编码时，不可能用很多位数来十分精 确来表示这些误差，一般用有限的位数来表示这些误差的范数，它表示了节点的 优先权。 在研究网络的调度协议用来优化系统的行为时，b r o c k e t t 弓i 入了通信序列的概 念“编码器估计器序列”和“有限循环的编码器估计器序列”，h r i s t u 进一步 发展了上面的概念，把寻找最佳的通信序列作为一个优化问题来处理【”】。r e h b i n d e 和s a n f r i d s o n 在更高的层次上研究了类似的问题，考虑的情况是几个具有l q 控制器 的对象共享一条总线【1 6 】。 开环调度算法往往适用于资源充分的环境，开环意味着一旦调度结构产生， 则不能通过连续的反馈进行调节。因此，开环调度算法虽然在可精确建模的系统 中能够取得良好的性能，但是不适用于动态不可预测系统。 1 3 2 自适应调度方法 尽管在可预测环境中开环调度算法可以工作得很好，但在无法建立准确负载 模型时，其应用效果将变差。近几年，作为在不可预测环境下获得控制性能保证 6 硕士学位论文 的经济有效方法( 自适应调度算法) 得到了发展与应用。 c e r v i n 等p 】采用反馈前馈的调度结构，运用最优控制理论实现了采样周期的 在线调节。针对可变系统负载，文献【1 5 】提出了对控制系统的采样周期进行在线调 节的方法以优化控制性能。l u i 等【1 6 l 通过集成负载驱动调度方法与直接数字设计， 对负载变化情况下的控制性能进行了在线优化。l i n 等【1 7 】通过定义q o c ( 控制质量) 指标，在柔性实时约束下，采用离散q o s ( 服务质量) 管理技术和q o c 调度方法优 化控制性能。b u t t a z z o 等 1 8 】进一步考虑了过载时改变采样周期对控制器性能的影 响，并提出了相应的改进方法。文【1 9 1 考虑了多个模型预测控制器( m p c ) 的调度 问题。在过载情况下，自适应调度算法通过调节模型预测算法的执行时间，在控 制性能与可调度性之间寻求一种平衡。 1 3 3 闭环反馈实时控制调度方法 反馈控制调度的基本思想是将网络控制系统视为( 被控) 动态系统，然后采 用反馈控制理论、方法来设计调度器( 控制器) ，从而为实时调度算法的设计提 供一个通用模型。这样一来，通过建立系统的反馈控制模型，获取系统输入与输 出之间的传递函数，依靠完善的控制理论解决实时系统的调度问题，并最终为优 化控制性能服务。 s t a n k o v i c 等【2 0 】提出了反馈控制实时调度的思想，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 e f 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 ) 作为反馈控制系统的测量信号 ( 被控制量) ，所要求的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 构来实现的：允许进入控制器( a d m i s s i o nc o n t r o l l e r ) 用来控制流入系统的负载量， 而服务层控制器( s e r v i c el e v e lc o n t r o l l e r ) 用来调整系统内的负载量。 e k e r 等【2 l 】开发出了针对线性二次( l i n e a rq u a d r a t i c ) 控制的反馈控制器。反馈 调度器的输入信号是每一回路的性能、当前执行时间和理想的工作负载量，在可调 度的情况下通过调整控制环频率来优化控制性能。假设系统有n 个任务，每个任务 的采样间隔( 任务周期) 为 ，执行时间为c ，每个任务都有一个与之相关的作为 控制性能指标的价值函数z 以) ，它是采样间隔的二次函数。在可调度性约束条件 下，最小化全局价值函数( 每一控制器价值函数之和) ，。 基于反馈控制理论方法，c h e n y a n gl u 等【2 2 l 提出了一种称作f c e d f ( f e e d b a c k c o n t r o le d f ) 的调度框架。在该框架中，反馈调度器通过在线监测任务丢失率或 c p u 利用率，采用一定的控制算法( 如p i d ) ，经由q o s 执行器对一系列可变执行 时间软实时任务的c p u 利用率估计值进行调节，以同时获取较低的任务丢失率和 较高的c p u 利用率。实时任务通过执行相同算法的不同版本，从而改变其对c p u 7 网络手空制系统的调度方法研究 的消耗，新任务的接收则由接入控制器进行控制。文【2 3 】综合全局调度和局部调度， 基于线性二次型最优控制方法，通过调节控制任务的采样周期，设计了一种双回 路反馈控制器，其目标也是维持任务丢失率在期望值附近，在获取期望的c p u 利用 率的同时优化控制性能。s e n a m e 等【2 4 】研究了带通信时延的实时控制系统，针对c p u 资源变动和不可预知负载，分别为单回路和多回路控制系统设计了计算资源的反 馈调度策略。 以上反馈控制实时调度与以往的调度算法显著不同的区别是：以往的调度算 法常常假定每个任务对于处理器的利用率是先验可知的，而反馈控制实时调度则 将系统放在不可预知环境中。在这种环境中每个任务对于处理器的利用率是不可 知的，也是时交的。这点对于以往的开环调度算法而言是致命的，而反馈控制实 时调度体系则可以实时校正过程中的误差。 1 3 4 控制与调度集成设计及调度优化方法 随着n c s 研究的深入，兼顾控制和调度的集成设计策略【2 5 】越来越受到人们的 关注。这种设计思想是利用调度理论的成果，把计算资源的有效性和控制设计结 合起来。 ( 1 ) 对n c s 中各个控制环中数据传输节点采样周期和采样时刻的调度 基于窗口的概念，h o n g 】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 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 n p 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 6 j 基于相同思想提出了适用于多维对象的采样时间调度 算法。刘鲁源等f 2 7 】以文献【1 l 】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来调度非实时数据，提高了网络资源利用率。 但文献 2 6 2 8 】中的研究没有从优化的角度对带宽资源的使用加以考虑。 ( 2 ) 调度优化 s e t o 2 9 4 1 l 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， 通过采用抢占式优先级调度任务同时兼顾其可调度性，提出了把控制性能指标转 换为任务采样周期的一种策略，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。这个方法认为采样周期是变量，并给定其大小，从而在满足 可调度性及其在有限计算资源的约束下的前提下，优化整个系统的性能。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 l 3 1 1 在s e t o 3 0 1 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 硕十学位论文 的采样周期进行了分析。r y u 等t 3 2 l 提出了一个优化采样周期和输入输出延迟的策 略，控制性能采用静态误差、超调量、上升时间、稳定时间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 3 小】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，以优化n c s 的性能为目标，网络的可调度 性和系统的稳定性为条件，结合系统控制与网络调度，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一般慎用一般的实 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 姐i c k y 等【1 0 j 基于r m 算法研究了在满足网络可调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 系统性能达到最优的采样周期优化问题。g r e g o r y 等l 针对n c s 中周期数据的时间敏感性，具有最大误差的节点将获得网络的使用权 来送一次信息。可以通过误差编码来实现动态调度，一个节点是否可以获得网络 取决于它的误差范数的大小。基于节省带宽的考虑，在对这些误差的范数进行编 码时，不可能用很多位数来十分精确地表示这些误差，一般用有限的位数来表示 这些误差的范数，它表示了节点的优先权。该方法是集成m e f ( 最大误差优先) 与t o d ( t r y - o n e e d i s c a r d ) 技术，改进了基于c a n 总线的控制系统性能。 v e l a s e o 等f 3 5 l 提出了一种n c s 网络带宽的动态分配方法，控制回路根据被控过 程的动态特性来占用网络带宽，从而优化整体控制性能。j o s 6 等【3 6 1 基于反馈思想 提出了一种l e f ( 最大误差优先) 网络动态调度方法，其目标同样是获取最优的整 体性能。 总之，在n c s 中的调度算法和c p u 的调度有类似之处，但又不完全相同。直 接将c p u 的调度算法应用到n c s 的调度中可能有一些缺点，因为如果传输队列中 旧的周期数据在等候，让新的周期数据进入队列，且排在旧的周期数据之后等候 就显得没有意义。在很多时候，由于实时调度已经比较成熟，网络控制系统的调 度可以从其中借鉴很多东西。同网络控制系统的其他研究问题比较起来，网络控 制系统的调度是一个相对空白的领域，仍有大量工作要做，其调度算法的实现最 终需要对数据链路层的协议作一些调整。 1 4 课题研究意义 随着计算机技术、网络技术和通信技术的飞速发展，人们对于基于网络的各 类物理系统的交互和实时控制需求越来越迫切，网络控制已经成为控制领域的一 个重要分支。未来的几十年中，网络化控制必将深刻地影响和推动控制理论及其 应用的发展。 关于网络控制系统的研究可以追溯到上个世纪中后期以后r a ya 等人的关于 9 网络栉制系统的调度方法研究 集成通讯控制系统( i n t e g r a t e dc 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 ，简记为i c c s ) 的 早期的工作 7 - 9 】，i c c s 可以看作是现在的网络控制系统的雏形。网络控制系统正 成为国际控制界的一个研究热点，虽然关于n c s 的研究已经取得了诸多成果，但 关于网络控制系统还没有一套成熟的理论与方法。网络控制系统中的很多基本问 题还有待于人们进一步研究。网络控制系统在通过共享网络资源给控制系统带来 各种优点的同时，也给系统和控制理论带来了新的机遇和挑战。将通讯网络引入 控制系统，使系统的分析变得非常复杂。由于网络本身所具有的一些特性，使得 传统的控制理论在n c s 中无法使用。要研究n c s 就必须发展与网络控制系统相 适应的控制理论与方法，而要发展与网络控制系统相适应的控制理论与方法就必 须研究n c s 中的一些基本问题。 调度是网络控制系统中的主要问题之一，尤其在实时性要求很高的网络控制 系统中，调度策略的好坏对n c s 的性能具有至关重要的影响。在n c s 中，系统 性能的体现不仅依赖于控制算法，还依赖于对共享的网络资源的调度。利用有限 的网络资源，实时传输较为重要的数据包；在保证n c s 控制性能的基础上，尽可 能的充分利用网络带宽资源都属于网络调度要解决的问题。 研究n c s 调度问题的目的在于使网络中的通信具有可管理性和可预测性，其 解决调度问题的本质在于合理分配网络资源，处理由网络带来的时延，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及相关性能要求的 范围之内。 本文主要针对时延问题和网络带宽限制问题，找出获取时延的有效方法，同 时在保证系统稳定的前提下，选取合适的采样周期和调度方法，进而减小时延和 网络带宽给控制系统带来的影响。主要对网络应用层的调度展开讨论，通过搭建 一个多任务的网络控制系统，然后综合考虑调度与控制以提高系统性能，研究如 何在应用层实现对n c s 各个任务之间的调度。 综上所述，网络控制系统的调度研究和优化是当今自动控制界一个新兴的热 点研究课题，对该课题开展研究具有重要的学术价值和应用前景。 1 5 本文的内容安排 在网络控制系统中，由于物理传输介质被所有的设备节点共享，不同于传统 点对点连接的控制系统，网络节点不能在任意时刻发送与接收数据，而必须竞争 得到网络介质访问权才能发送数据，所以必须对网络中的通信进行调度管理，才 能保证网络中消息的实时传输，满足控制系统的稳定性与可靠性要求。本文通过 对网络控制系统中时延对系统性能的影响和稳定性的分析，对控制网络各环路采 样周期的有效调度，最大限度减少了信息发送时的碰撞现象，大大减少了信息的 传输延迟，使各控制环路都能收到良好的控制效果，实现整个网络的控制优化问 1 0 硕十学位论文 题。 第一章为全文的绪论部分。第一节介绍了网络控制系统的发展及其特点；第 二节扩充和完善了n c s 中的基本问题；第三节介绍了n c s 中调度研究的基本问 题；第四节综述了n c s 调度的研究现状；第五节介绍了本文的研究意义；第六节 介绍了本文的主要工作。 第二章叙述了文章中涉及到的相关的基础知识。第一节简要叙述了控制网络 及介质访问；第二节详细叙述了n c s 中调度的相关基本概念；第三节比较分析了 n c s 调度与实时调度；第四节详细叙述了n c s 系统结构和调度分类。 第三章研究了网络控制系统的时延辨识方法和稳定性。第一节分析并以实例 阐述了网络时延及其对系统性能的影响；第二节提出了网络控制系统在线时延辨 识方法；第三节对系统的稳定性进行分析。 第四章研究网络控制系统的调度方法。由于控制网络中反馈控制环路的性能 直接受环路延迟的影响，而环路延迟的大小又依赖于各环路的采样周期和采样时 刻，因此各环路采样周期的调度方法恰当与否直接影响到各环路的控制性能。为 此，本章首先讨论了网络控制系统的调度对控制系统的影响；接着，基于在线时 延辨识的方法，研究了一种网络控制系统的调度算法，通过对各环路采样周期和 采样时刻的合理调度，一方面保证了各控制环路的控制性能，另一方面提高了网 络资源的利用率。最后，对于上面提出的调度算法给出了仿真，通过仿真验证了 该算法能够合理、充分地利用了网络资源，使得系统具有较高的网络资源利用率。 而且在满足系统时延要求的同时能够实现了采样周期的有效调度，并给出了带宽 分配方法，从而保证了系统的动态性能要求。 最后对全文进行了总结和展望。 网络拧制系统的调度方法研究 第2 章相关的基础知识 飞速发展的信息技术已经使全球用户能够通过因特网交流信息。具有计算能 力的、通过有线或无线相连的感知和执行节点所构成的网络，如汽车、智能化家 庭、大的制造系统，智能高速公路、网络化社区服务，企业级供应和物流链等涉 及到因特网与实际环境的交互，形成了控制物理环境的交响乐团。因此，将通信、 计算机和控制紧密地结合起来的网络控制技术成为非常热门的研究。 网络控制一般有两种理解，一种是对网络的控f b l j ( c o n t r o