（系统工程专业论文）网络控制系统的调度研究与仿真.pdf

硕 士 论 文网络控制系统的调度研究与仿真 ab s t r a c t 丁 七 j sth esi s i sb a 涨 刘 on th ep roject “ inl e g ra ted d esi gn of c ont ro l andr eal一 下m e s c h edu l i n g innetw o r k e d c ont ro l 分 s t e n 比 ， sp ons o r e d b y th e n a 垃 。 几 目s d encefou n dat i on n e 。 刀 。 改 c o n tr o 】 s y s te m( n c s ) i s a s ynth etica p p 1 i c 而on w h i c hinv of v esc o n trol s d ence， compu ter s d en ce 阳 dn etw o rk t ec hoof o gy. the co m pe t i ti o nofn e tw o rk reso u rc e s and p r o p a g a t i on d el a yrais ean e w s c i enti fi cfi el d* h ere tradi ti onal con t r o 1thcori es and m e th odol o g y can b e a p pl i ed. n etw o r k sc h ed u li n g ， for i n s lance ， i s a es sen ti alp ait oft 饭 5 刀 。 v dd o m ai n . the c ( 川 币bu往 ons of而s di ss er 切 。 on are s u n u n a n z e d asfollo硒n g: in th efi rs ts ect i on， thec h 团 忍 c t e n s h cof 廿 ir e en ” nt y p es of con ti u i n e t 切 。 比515 朋a l y s i z e d ，thei rady 即ta g e sand d i sa d v anta g es in then e 。 刀 。 浅 c o n troland th eir p e ri b n r 以 n c esu n d erc e rt 田 n n e 。 刃 。 次 s are c l a ri fi edl h 印， th e n c spl a tform ises tablish ed b yu 灿91 rue 下me si mu l at or. t l 1 i s th esi s s tu d i es th en e 。 刃 。 攻 i n fl u ences on th ec ontrol sys t e mv i a the si mu 】 a t i on ofth e p id con tr o s yst e mo f d cmo t o r; hth e s e c o n d 溉ti on， fo ursc h ed u l in g al g orith n inpr o t o l l ay erare in v es ti g a 让 劝 ， and th e c o rr es p o n d in g s 加u l ation i s a u t l ed on the p l a d b rm. m。 代 刀 v er， th e 胡v anta g e s and di sa d v anta g e s ofth e sc h edu ling al g orith ir isd arifi 比 ; inth e th j 川以 戈 石 on， th e forn1 ersch edu li n g ai g orith ms i s a p p li ed ton c sw i thp eno dic dataand 叩erio di c d ata. the s i mu la ti o n res u l tssho wtha t th e y c an t sat i 殉 th e d e n u l ds of th es y s t e m. as th e心u l 仁面s th esi s j ocu ses o nth e mi x ed 下 ra 衍c sch ed心n galg o ri thm . mts i san al g orit 肠 mb ased on th e k ， sr e a l 毛me d e n 劝 m d s . thi sth es i sanal y s es th e 几 韶l b 正 ty of th emt s ， on th eo th er s i d e ， i tv 曲血t e sth efe asi b i li ty andy 心d i ty b y si mu l a ti on; 如面s di s s er ta t i on， fo 盯sc h edu ling al g orith ins inp r o tocofl ay erand th e m 议 edl raffic s ched u llngal gori th n 1 are stud i ed th o ro u g hl 犷an ex a m p l ei sw o r k ed o u t ind e t ai l to d 曰 m o n s tl 刁 t e th atth e al g orit h l nsati抓es 脚而rman ce明 uirernentsfor n c s ， o pti而ze s n e 伽0 比s c h edu li n g ， an d l m p ro v e s n e two 盘e ffic i en cy. k e 卿 o r d s :n c s肠 me del ays chedu li n gmts 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。 。签 名 : 班通.; 、 ， 夕 月 /oh 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。 。签 名 : - 盛 夔 -、 。 ， ， 月 ，。 硕 士 论 文网络控制系统的调度研究与仿真 1绪论 1 . 1 论文研究的 背景 随着控制科学、 计算机网络及通讯技术的日益发展和交叉渗透， 控制系统结构越 来越复杂， 空间分布也越来 越广， 对系统控制性能的要求也愈 来愈高。 信息的网 络化 和智能化给自动化技术带来了深远影响和新的机遇与挑战。目前， 控制科学己和飞速 发展的计算机网 络和通讯技术相结合， 产生了网 络环境下的控制。 自 从七十年代中 期 honeywell 公司 推出了型 号为t oc2000 的集散控制系统( 优5)以 来， 基于集中 管理和 分散控制模式的 集散 控制系 统得到了 迅速的发展， 这有效的 解决了 过去集中 控制中 危 险集中、维护困难等问题。 然而， 在集散控制系统中， 大部分实时控制任务都是在单 独模件中处理的， 只有开关量信号， 监视信息和 报警信息 等信号在网 络上传输， 因 此 模件间的 联系非 常松散。同 时，受计算机系统早期存 在的 系统封闭 这一缺陷的影 响， 各 民5厂家的产品自 成系统， 不同厂家的设备不能互相连接， 难以实现互换和互操作， 这就从客观上阻碍了在更大范围内实现信息共享。到了 90 年代，随着网络通讯技术 的不断提高， 大规模集成电路的迅速发展，以及硅片价格的大幅度降低，许多传感器 和执行器都集成了 网络通讯接口， 使它们可以作为实时 控制网 络 上的独立节点进行信 息交互。 在 此基础上，网 络控制系 统(nc s ， n e two rk edc o n o . 】 s y s t e n ” ) 得到了 迅速发 展1 1 。 网络控制系统是以网络为基础的分布式系统，它可以应用于大范围区域的控制， 系统包含了大量的可相互 交换信号的设备。 网 络控制系统的特征是通过一系列的通信 信道构成一个或多 个控制闭环， 同 时具备信号 处理、 优化决策和 控制操作的功能， 控 制器可以分散在网络中的不同地点。 与传统的控制系统相比， 网络控制系统具有诸多 优点， 如可以实现资 源共享、 实现 远程操作与控制、 具 有较强的 诊断 能力、 安 装与维 护简便、能有效减少实际系统的重量和体积、 增加系统的灵活性和可靠性等。另外使 用无 线网络 技术 还可以 实现使用大量广泛散布的廉价传感器与 远距离的 控制器、 执行 器构 成某些 特殊用 途的网 络控制系统， 这是传统的控制系统所无 法实 现的. 但是，由于网络中的信息源很多，信息的传送要分时占用网络通信线路，而网络 的承 载能力和 通信带宽 有限 ， 必然造成信息的 冲撞、 重传、 拥塞等现象的发生， 使得 信息 在传输 过程中 不可避免地存在时延。 由于 受到网 络所采用的通信协议、 网 络当时 的负荷状况、 网络的传输速率和数据包的大小等诸多因素的影响，时延呈现出或固定 或随机、 或有界或无界的特征，导致控制系统性能的下降甚至不稳定，同时也给控制 系统的分析、设计带来了很大的困难。传统的控制理论在对系统进行分析和设计时， 往往做了很多理想化的假定，如单采样频率、同步控制、无延时传输和调节。而在网 绪 论硕士论文 络控制系统中由于控制回路中存在网络迟延， 上述假定有时是不成立的， 这就需要将 一些先进的 控制策略引入到网络控制系统 控制中， 才能更 好的研究网络 控制系统， 从 而促进其在工业生产领 域的 应用。 本课题获国家自 然科学基金 项目 资 助。网络化控制系 统的发展正呈方兴未艾之 势， 其应用范围 之广， 影响 层面 之深己 经引起越来越多的关注和重视， 成为控制领域 研究的新热点。 它兼具网络和控制的 特点， 既是计算机和网 络技术向 控制 领域的延伸 和发展，又体 现了 控制系统向网 络化、 集成化、分布化、智能化的发展趋势。因此， 对网络 化控制系统的 研究不仅具有重要的理 论价 值，更 具有广阔的应用 前景。 1 . 2网络 控制 系统棍述 网络控制系统的严格定义是指系统的控制回路是通过实时通信网络来闭合的反 馈控制系 统121 . 在上述定义中需 注意到 如下几点: 一、网 络控制是 借助通信网络辅助 完成控制任务， 而不是对通信网络的控制; 二、 系统是反馈控制系统， 而不是简 单的 开环控制系统;三、实时通信网络是介入到控制系统的反馈回路中的。 网 络控制系统的 典型结构如图1 . 2 . 1 所 示。 被控对象n被控对象1控制器m控制器 1 图 1 . 2 . 1 网络控制系统结构 网络控制系统的特点如下: 1 ) 结 构网 络化:网 络控制系统最 显著的特点体现在网 络体系结构上，它支持如 总线型、 星型、 树型等拓扑结构， 与传统分 层控制系统的 递阶结构相比 显得更加扁平 和稳定; 2 ) 节点智能化:带有 c p u的智能 化节点之间通过网络实现信息传输和功能协 调。每个节点都是组成网络控制系统的一个细胞，且具有各 自相对独立的功能; 3 ) 控制现场化和功能分散化:网络化结构使原先由中央控制器实现的任务下放 到智能化现场设备 上运 行， 这使危险因素得到分散， 从而提高了系统的 可靠性和安全 性; 4 ) 系统 开放化和产品集成化:网络 控制系统的开发是遵循一定标准进行的，是 一 个开放的 系统， 只要不同厂商根据一定 标准 来开 发自己 的产品， 这些产品之间便能 实 现互操 作和集成。 1 . 3网络 控制系 统中的 基本问题 网络控制系统正成为国 际控制界的一个 研究热点， 虽然关于网 络控制系统的 研究 硕士论文网络控制系统的调度研究与仿其 已 经取得了诸多 成果， 但是还没 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， 不可避免地导致了一 些新的问 题， 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 控制理论在网 络控制系统中无法 使用。 要研究网络控 制 系统就 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网络控制系统中的 一些基本问 题3 ， 这些问 题 主要包括: 1 . 3 . 1网 络时 延 在控制系统中引入通信网络前后的最大区别在于:1) 控制循环通过串行通信网 络连成了 一个闭 环反馈系统，所有的信号 传递都在一条共享的 通信通道上进行;2) 网 络的 介入使得数据和信息在网 络中 传输时 不可避免地存在时延。 这一时延产生的根 本原因是由于网络通讯资源有限，包括带宽、协议、调度等方面的限制。时延不但会 降低系统的控制性能， 还 会导致 系统不稳定， 尤其是对某些快 速系 统影响更大。 时 延 问题是网络控制系统的核心问题。网络控制系统中的时延分布如图 1 . 3 . 1 所示。 rll!1. 图 卫 . 3 . 1控制系统中的时延分布 迄今为 止还没有一种网络时延模型 可以适应于大部分的网 络时 延情况。 但总的 来 说， 时延的 特性主要取决于系统选用的网 络的 类型。网络主要有以 下两种类型: 1) 轮流访问网络 对于采用轮流访问网 络协议，如正 e e 802. 4 、 s a e令牌总线、 ro fi b us、s a e令 牌环等的网 络控制系统， 控制器和 传感器信号的 传递具有周期性。 因而， 网络时延也 具有周期性，可将它看作是周期函 数，即叮 = 嗡 ， 扩 = 嗡 。 2 )随机访问网络 随机访问网络的 代表有以 太网 和c an总线。 这两种网络上的时延变 化是随机的， 不同的是c a n总 线网 络上的 最大时 延是确定的， 而以 太网的时延变化是随 机的.针 对这类随机时延， 可采用马 尔科夫 ( m 吐ov) 链14习 、 a r m a模型和流线模型对时延 进行建模分析。 绪论硕 士 论 文 1 . 3 . 2时变传物周期 传统的计算 机控制系统都 假设 对被控对象的采样为等周期采样， 这种假设使得对 系统的分 析大大简化。 在网 络控制系统中 ， 对 采样数 据的传输 可以 是周期的， 也可以 是非周期的，这取决于控制网络的介质存取控制协议 ( medin m a ccessc o n tl 劝 1 proto c ol ， 简 称m a c协 议) . m ac 协 议 一 般 分 为 两 类 : 随 机 存 取 和调 度。 载 波 侦 听 多 路存取 ( c 别 rt i ers ensemul ti pl e a cces s) 是随 机存取网 络中 最常 用的 一种协议，而 令 牌网汀 b k 即跳s i n g ) 和时 分 多 路 存 取 ( 下 m e d iv i 幻 onm u lti p le a c c es s ) 是 调 度网 络中最常用的。 1 . 3 . 3多 率采样 传统的计算机控制系统都假定传感器、 控制器和执行器的采样 速率是一致的， 这 种假设有利于简化控制系统的 数学模型和相 应的分 析与设计 过程。 然而， 在网络控制 系统中， 由 于网 络传输时延的 不确定性以 及节点分散化， 不 太可能也 不太实际将所有 的物理信号采用单一的速率进行采样。 通常， 采样器和 保持器的 采样时间 越短， 系统 得到的性能就越好。 而另一方面， 采用较短的采样周期， 意味着必须采用高速的 刃d、 dia转换器。 网络控制系统的多率采样理论的研究才刚刚起步， 在这方面要做的研究 还有很多。 1 . 3 . 4网 络带宽限制 在网 络控制系统中， 一个网 络的 有效带宽 指的是除去帧头、 填充位等， 在单位时 间内 传输有效数据量的 最大值。 这和一 般传统网 络带宽的定 义相比 较， 更侧重于单位 时 间内 传送原始字 节的数量。 影响网络带宽的可用性和实效性有四个因素:1) 不同 设备通过网 络发 送信息的采样 速率; 2) 要 求同步 操作的元件数: 3) 表示信息的数据 量的大小; 4 ) 控制信息传输的网 络协议。当实 现网络控制系统时，其中的限 制因素 之一就是网 络的 可用带宽。 为了 满足网络控 制系统的时间限 制和 保证其性能， 研究可 以 减少网 络带宽 需求的 控制方 法是很有必要的。 1 . 3 . 5单包/ 多 包传粉 单包传输是指在网 络控制系统中 所有的传感器数据和控制 器数据分 别封装为一 个数据包进行传输。 多包传输是指在网 络控制系统中的传感器数 据或控制器数据封装 为多个数据包分批进行传输。 数据包多包传输的产生原因 :单个数据包的 容量 有限， 无法容纳所需信息; 网络 控制系 统各节点空间 分布分散， 无法在 物理 上实现同 类所有 信息封装为一个数据包。 当网络采用分时复用时， 同时产生的多个数据包无法同时到达 目的地， 在有限的 时间内 可能无法全部到达。 多包传输的一般处理 方法是利用获取的部分信息对全部信 4 硕士论文网络控制系统的调度研究与仿真 息进行估计或者只对部 分信息 进行处理。 多 包传 输给网 络控制系统的 建模、 分析和设 计提出了新的挑战。 1 . 3 . 6数据包时 序错乱 在网络环境下， 被传输的数据流经众多计算机和通讯设备且路径不唯一， 这必然 会导致数据包的时序错乱。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，每一包数据便是一完整的数据，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。 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 目标节点时，其到达的时序与原来的时序不同. 对以上两种情况， 在网络控制系统设计中 应分别给予相 应的处理。 1 . 3 . 7数据包丢失 相对于网络诱导时延， 数据包丢失对网络控制系统动态性能的影响更大。 数据包 丢失的原因为: 网络设备故障或重新启动使得数据包所在的缓冲区被清空而导致数据 包丢失;网络发生阻塞时，数据包传输时间很长使得数据包失效 ( 例如旧的控制量数 据包只在新的 控制量 数据包到来之前是最有效的) 导致数据包丢失; 数 据包在传输过 程中有误码，在接收端无法通过算法恢复有效数据致使数据包丢失。 数据包丢失的一般处理方法是沿用上一次未发生丢失时的数据或某一常值。 1 . 3 . 8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， 以事先 确定的 时间点为 节点动作的 依据， 本论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， 本论文 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 接受到数 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， 而 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育以下优点: 1) 控制器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) 便马上执行， 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 时与传感器时钟同步的困难: 绪论硕 士 论 文 3) 控制器或 执行 器采用事件驱动方式时， 避免了控制器或执行器为时钟 驱动方 式时 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 现场总线技术己 逐渐采用了事件驱 动方式， 如美国ech el o n 公司 推出的 l o n 认 b rk s 现场总线技术。 但事件驱动相对于时钟驱动也有 一定缺点: 1) 在实际 运用中 事件驱动 较难实 现。 2 ) 部分实际的网 络控制系统不支 持事件驱动方式。 1 . 3.9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 相同的 值。 时钟同 步又可 分为硬件同步和软 件同 步。 在网 络控 制系 统中， 由于系统的 节点有可能分布在一个较 大的 物理空间， 硬件同 步一般比 较困难， 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 广播同 步时钟的方式实现。 1 . 4网 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仅依赖于控制算法的设计，也依赖于网 络的性能。限制网络控制系统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。 需要注意的是 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 络时渐近稳定， 井且网 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， 每次都采用同一 传感器节点， 对别的传感器 节点 始终不做采样) 。 粗略地说， 网 络控制系统的 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一 组传 感器。 网络调度问 题严格 定义是网络中 的节点 在共享的网络资源中发 送数据， 并且发生碰撞时， 规定数据包以 怎 样的优先级 ( 顺序) 和何时发送数据 包的问 题12 。 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。 但是每个网 络控制系统都和其它网络控制系统共用一条传输路径， 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， 使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。 硕士论文网络控制系统的调度研究与仿真 到 粥注 三 图! 毛 i n 个网络控制子系 统组成系统集 1 ， 5网 络 控制系统调 度问 题的 研究 现状 网络控制系统调度的研究是近几年才提出 来。 现有对网 络控制系统的调度问题大 多是借鉴c p u任务调度算法。 当 然网络控制系统的调度有别于c p u的调度， c p u的 任务调度是可抢优的，而网 络控制系统中 对传感器数据的调度则是不可抢优的。 对 于 一 组 相 互独 立的 实 时 周 期 任 务 ， 19 73年 ， li u 和肠y lan d 6) 在 他 们的 毕 业 论 文中提出了 两种基于优先级的 最优 调度算 法: e 肛 l i estd ea d l in e 肠 rs l ( e d d 调度算法 和r at e- mono l o . c 砚只 m) 调度算法。 r m调度算法是根据任务的周期分配优先权: 任务 的周期越短， 其优先级就越高。 r m算法是一种静态的调度算法， 任务的优先权在任 务执行之前己 经确定且不会随时间 变化。 此外， r m算法在没有改 进之前是抢优的， 即当 前执行的 任务会被新到达的优先级更高的 任务打断。 u u 和layl and同时指出了 从某种意义上来说r m算法在所有的固定优先级分配算法中是最优的， 因为只要一组 实时周期任务能够由其它任务固定优先级的调度算法调度， 那么肯定也能用r m算法 来 调 度。 ， 倪 1 刁 腼 n g t7 对rm 算 法 进 行 改 进， 提出 了 面向 非 抢 优 调 度 任 务 的r m调 度 算法，并给出了可调度的条件，使得r m算法可应用于网络控制系统。 在网络控制系统中， v 竹 il s h 等人提出了在控制器输入端使用动态调度协议和零阶 、 保持器， 并弓 入了 最大允 许传输时间 间隔 来表示从 传感器到控制器 信息传输时 延的 上 界。 这 种情 况下 控制 器的 设 计 不 再 考 虑网 络的 存 在和期 望的 特性。 w alsh 8 还提出 了 一个动态 调度协 议一m e f . t o d( 如-ertdr-俪t 匀一ce 一 di sc 创) 协议， 该协议 下 每个 传感器都 有一 个传输优 先 级， 该 优先级和误差成比 例( 误差计 算最 近发送数 据 值与实际测量数据值的差) 。 误差最大的传感器拥有发送数据的最大优先级，如果传 感器在争用网 络时被拒绝， 它将丢弃数据包并在试图再次发送之前用最新的数据重构 一个新数据包。 该结果还被扩展到非线性被控对象以 及系统在各种类型噪声下的情况 191 田 g . o taj le zt ll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 7 绪论硕士论文 化问 题。 文献【 5 8 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 pu调 度 和 网 络 调 度 进 行 了 比 较。 chen yang lu1 划 4，1 习 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及待解决的问 题，但反馈调度的思想是值得借鉴的。 在设计调度策略时， 考虑到数据实时性要求的不同， 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。 如zub eri(i2j等针 对 c a n下网 络控制系 统， 提出 m ts(mix edtr a ffi c sc h eduling) 调 度策略， 结合 动态调度 算法与 静态调度算法调度 c a n中传输的数据包， 动态调度算法用于调度网络中高速信息 ( 实时数据) ， 静态调 度算法调度网络中的低速信息 ( 非实时数据) 。 前面网络控制系统的分析设计方法对调度影响的忽略或者假定调度能够满足控 制任务的设计需求的处理方式，极大地简化了网 络控制系统的分析与控制策略的设 计。 但是， 随着网络控制系统复杂程度、 实时性和控制性能要求的不断提高，因空间 分布扩大导致的网络通信量的激增， 网络通信带宽 及资源有限等现实情况都要求对现 有网络控制系统的分析设计方法做出一定的改善。 网络控制系统的性能不仅与控制算 法有关， 还与共享的网络资源的合理使用或调度有关。 较高的采样频率会提高控制性 能， 但同时会增加大量周期性的信息， 从而加重信息调度的负担。 所以控制和调度在 系统中是一对矛盾，解决这个矛盾的方法是在一定约束条件下取得总体性能的折衷。 s etoll 匀 在1 9 96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 角度出发，讨论了当采样周期在期望值和有限的共享c p u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。 anton c e n 初117 在 文献 16 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 延系统进行了 分析， 但文献仁 16， 1 7 中的 控制与调度集成研究都是针对单处理器系统 的 。 feng 一 li u an j8 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(qo p)和网 络服务质量( qos)的 设计策略， 对导致系统不稳定的临界点进行了 数 学分析， 但没有给出网络调度方法。 瑞典lund工学院anto n c ervin ， j ohaneker等人从1 9 99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 ail ab环境 下 进 行 仿真的 工 具箱 口 9， 20。 肠ng 浏提出 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 okenpass in g s ys te n 巧 ) 和轮 循 系 统 (po伍 ng r 硕士论文网络控制系统的调度研究与仿真 s y s 让 瓜 犯 ) 的 一维 对 象的 调 度， 系统中 信息 类型 仅限 于周 期性 信息. 后来， hon g 将该算 法应用到c a n网中 122)。 s p 欧【23 在文献 21 基础 上， 提出了 适用于多 维对象的 采样 时间调度算法。 anto n c ervinl 24) 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 。 5 3 枷ck y l25 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 扒 算法推广到网络控制系统的调度中，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网络控制系 统的性能优化指标， 不能够反映网络控制系统的整体性能。 但是仅用于有优先权分配 功能的网 络如c a n ， devi c e n et等，且要求每个子控制系统的传输时延己知和最大允 许时延己 知。 1 . 6论文的 主要内 容及安排 本文各章内容组织如下: 第1 章介绍了本课题的研究背景， 网络控制系统概述及研究中存在的问题， 然后 总结了网络控制系统中信息调度的研究策略及研究现状。 第2 章首先对工业中常用的三种控制网络( 以太网、 令牌网和设备网) 的介质访问 控制( mac)协议进行了 详细分析，并对三种控制网络的优缺点进行了分析比较。紧接 着详细介绍了仿真工具箱 t rueti 此，并且搭建仿真平台，分别对三种控制网络进行 实验仿真，最终决定采用c an 网作为本文接下来各种调度算法仿真的网络介质。 第3 章首先对网络控制系统的调度进行了 概述， 其次阐述信息调度的一些基本概 念。 网 络控制系统中调度算法大致可以 分为三类: 静态调度算法、 动态调度算法和动 静态混合调度算法， 本章接下来的工作主要围绕前面两种调度算法进行了分析， 并通 过仿真比较了各种算法的优缺点及适用范围。 第 4章首先研究了当网络控制系统传输的信息中既有周期性数据又有非周期性 数据时， 前面研究的算法能否进行调度， 然后弓 咄动静态混合调度策略。 本章重点研 究了动静态混合调度策略的工作机理和工作流程， 并在最后通过仿真验证算法的可行 性和有效性。 文末 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。 硕 士 论 文 网络控制系统的调度研究与仿真 2控制网 络及仿真环境 2 . 1引 言 传统的点到点连接的控制系统己 经有几十年的 发展历史了 ， 然而随着系统的 复杂 化程度的提高及对系统的扩展能力要求的提高， 传统的集中控制结构逐渐显得力不从 心， 己 经无法适应现代过程控制对于 系统模块化、 分散化、 低成 本的 要求。 在这样的 控制需求下，人们逐步开发出了网络控制系统，它具有连线少、分布性强等优点。网 络控制系统是基于网 络的， 系统的 组件以 节点方式存在于 控制系 统当中， 通过网 络连 接， 每个节点都具备数据处理能力和网络通讯能力， 可以独立完成一定的任务。网络 控制系统采用功能模 块化和 标准接口的 设计， 不同 设备、 系统之间可以 实现互操作， 并且不同厂家的性能类似的产品可以互换使用。 而控制网络是网络控制系统得以实现 的平台，网络的性能将直接影响到 系统的 控制效果，因 此， 在讨论网 络控制策略前， 首先必须对各种控制网络进行详细的分析评估。 一般来说， 在分析网络性能时， 需要考虑的网络特性主要有访问延时、 传输时间、 响应时间、信息传输延迟、信息冲突、信息吞吐量、数据包大小和网络的使用情况等 因素。 对于控制网络，时延有界和传输的可靠性是衡量网络性能的最主要标准。 过长 的网络延时或 传输失 败将会使系统 的性能下降， 严重时可能导致系 统不稳定。 用于网 络通信的网 络协议有很多 种， 但能够 满足控制系统要求的网 络协 议并 不多， 大部分网 络需要经过适当的优化和改进才能用于控制。目前，可以使用的协议有很 多，如 e th erne t( ie e e 8 0 2 . 3 : c s m 习c d ) ， tdkenbus ( 正 e e 8 0 2 . 4 ) ， tok enring ( 正e e 8 0 2 . 5 ) 以 及 c a n(cs m 刀a m p ) ，这 些网络协 议都 能够满足控制系统对于网络时延和稳定性的 要 求。 本章第二节对以 下三种网 络类型进行了 分析: 以 太总线型一使用c s n 口 以 c d ( 载波 监听多 路访问 / 冲突 检测) 网络协议的网 络; 令牌总线型( 如c o n ti u 创 et): 控制器局域总 线(ca n ) 型( 如d evic enet) 。 在本章的 第三节，详细介绍了仿真 工具箱1 飞 u 翻 me ， 并 且搭建 仿真平台， 分别 对三种控制网 络进行实验仿 真， 最终决定采用c an网作为本文 网 络控制系统仿真的网 络传输介质。 2 . 2控制网 络协议分析 2 . 2.1以 太网 ( c s m a i c d ) e th ernet 采 用c s m 九 ic d 协 议 (正 ee8 02.到2日 作为 媒体 访问 层 协 议。 当 一个 节 点 需 要发送数据， 它首先监听网络， 如果网络处于空闲状态， 则立即向网络发送数据。反 之， 则置于等待状态， 并继续监听， 直到网 络空闲. 当两个或多个 节点同时检测到网 络空闲， 并向网 络发送数据时， 发送的数据包将会被破坏。 因 此， 节点一 边发送数据 l l 绪 论 硕士论文 一边检测 冲突。 当 检测到冲突后， 立即 停止传送， 并等 待随 机长度的时 间， 然后重复 发送过 程。 等待时间的算法采用标准二进制指数后退算法田 e b):重 新发送时间是在 0到2 一 1 个时间片内 随机选择， 这里1 表示节点检测到第1 次冲突，一 个时间片是消 息往 返所需要的最小时间。 当 冲突大于 或等于10次后， 间隔固定 在 1 0 23个时间片上。 大于 16次冲突后节点不再试图发送消息，并向处 理器 报告发送失败， 进一步的恢复 要在更高层的协议中解决。 字节716620-1 5 (x)压肠4 前同步始分隔符目标地址源地址数据长度 数据填充符检验和 尸系 统开 销 = 22字 节肠一巧 00字节 厂4 字节 图2 2 . i e 廿 屺 n 把 t( c s ma/c d)帧格式 以 太网 信息帧的 结构如图2 . 21 所示。帧的控制部分 有2 6 个字节，帧的 长度在 46一 1 5 00 字节之间。 因为规定了 有效帧从目 的地址位到校验和位至少有64个字节( 包 括前同 步和开始分隔符共72 个字节) 。如果数 据帧中的 数据部分少于46 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 就常常会出 现零散的位和帧，最小帧长可以把有效帧与 “ 垃圾帧” 区分出来;第二、它保证节点 第一位还没有到 达网络的 远端时不会完成帧的发送， 因为该帧可能与其他帧发生冲 突。 对一个l o m b/ s 的e t h ernet ， 网 络最大 长度是2 5 (xm ， 允许的最小帧时间为51. 2 粼 5 ， 51.2 产 : 是在10 m b / 5 下传输64 个 字节所需的时间。 因为 控制字节数少，网 络操作算法简 单，以 太网在网 络负 载低时 几乎没有延迟。 与令牌总 线或令牌环协议 相比， 增加和扩大访问网 络不用增加通信带宽。 控制系统使 用10 m b/ s 的以 太网 ( 例如m odb us 汀 c p ) ， 高速 (loom b/s 或甚至i g 七 1 5 )以太网主 要用于数据网络。 由 于以 太网采用竞争协议， 并且 不支持任何消息优先， 在网 络负 载大时， 消息碰 撞是一 个主要问题。 因 为， 它在很大 程度上影响数 据传输量和延 迟时间， 而且延迟时 间 可能 是无界的。 以太网中一个节点传输数据 包时， 不管其他节点 是否正在访问介质， 它都独占 通信介质。 这样产生碰撞后， 消息必 然会被丢弃， 因此， 不能保证首尾相联 的 连续 通信。 由 于限 制了最小有效帧的大小， 使得以 太网 要用很大的信息格式传输少 量的数据。 以太网采用的c s majc d算法简单，公正性好，可用 v l s i 技术实现，现在很多 d c s 系统和现场总线网 络都采用了以 太网。 如美国fox b or公司开 发的f a s 系统在 硕士论文网络控制系统的调度研究与仿真 节点总线采用了c s m a/c d方式进行存 取控 制;日 本横河公司的c e n t 日 m 一 x l系统 的最高一级子网s v-n e t有两种配置方案， 其中一种就是以太网; 现场总线 助n wd rks 也使用以太网。 使用以 太网 技术时， 并不 要求 整个网 络系统统一采用， 通常只是用于 某个层次上。 以太网访问控制的优点有: 1 )节点并行连接到总线上，某个节点的失效不影响整个网络的运行. 2) 网 络接口比 较简单， 实现节点的 加入和撤出很容易， 可扩展性和可靠性较好， 维护方便，结构灵活，成本低。 3) 信道利用率 ( 每一帧占 用信道的时间 ) 较高. 4 )传输时间 与节点 数无关。 5 )在低负载时，网络传输延时小，响应速度快，有较高的信道吞吐量。 以太网访问控制的缺点有: 1 )随着网络负载的加重，冲突概率增加，信息传输时间不确定，传输平均延时 增加，响应时间变长， 信道利用率降低，特别是网络负载达到60%以上时，网络性能 急剧下降，所以只有控制通信负载，限制节点数量，才能改善实时性. 2) 从理论上讲，重负载下各节点获得成功传输的概率是一样的， 但实际 上如果 一个节点不能正确处理冲突， 它将在一段不确定时间范围内被禁止访问网络， 会出现 有些节点挂不上网的情况。 3) 它不宜传 输像 “ 过程数据” 这样的小数据 包。因为如前所述，若帧的长度小 于规定的最小长度， 则须添加不必要的无用信息，使之达到最小长度才能传输， 这样 既浪费了 信道， 使有效数据传输率降 低， 又增加了传输延时，降低了网 络的实时 性。 4) 由于信号在传输中会引起衰减，当两个站相距较远时，它们发送到对方的信 号与接收到的信号的叠 加会小于 冲突值， 无法检测出冲 突， 所以 通讯电缆的长度有限 制 ( 最长为s oom ) ， 5 ) 信息帧无 优先级，不同的 帧发送的 概率一样，用于实时 系统时， 将受到各种 条件的约束。 6 ) 为了 检测冲突， 对信号幅度有较高的要 求. 2 . 2 . 2令牌网 ( token- p a ss 如 唱 b us) m ap， pro f ib u s 和c on tr o in e t 都 是token 一p as s in g bus 控 制网 络的 典 型 例子 。 因 为在发送一帧消息 之前 最大的等 待时间 可以由 令牌的循环时间获得， 所以 他们 都是有 确定时延上界的网 络。 令牌总线 ( 正e e 8 024 ) 网络上的节点被安排成了 一个逻辑 环， 在c ontroi n et上每 个节点都知道 它的 前驱节点 和它的后继节点。 网 络运作过程中 得到 令牌的节点发 送数 据， 它发完 所有数据或时间片用完了 后将令牌传递给它的 逻辑后继 绪论硕 士 论 文 节点。 如果 节点 不发送数据， 则直 接将 令牌传给下一个节点。 持有令 牌的节点才能 发 送数据， 所以 令牌总线不会发生网 络冲突. 协议规定了 每个节点访问网络的最大时间， 如果令牌 在某个 节点停止时间过长， 则协议会产生一个新的令 牌。 总线上可以 动态的 增加或删