（系统工程专业论文）网络控制系统的调度和仿真研究.pdf

硕士论文网络控制系统的谢度和仿真研究 摘要 网络控制系统是集网络技术和控制科学于一体的前沿性研究课题。本文研究了网络 控制系统的调度问题，并进行了仿真，主要包括以下内容： ( 1 ) 对工业控制领域常用的四种控制网络通信协议和技术特点进行分析，并对比 了其优缺点，然后介绍了t r u e t i m e 工具箱的技术特点和使用方法，为网络控制系统调 度仿真奠定基础。 ( 2 ) 系统地阐述了网络控制系统中信息调度的概念，将现有调度算法分成三类： 静态调度策略、动态调度策略、动静态混合调度策略，并分析了三类调度策略的优缺点： 在此基础上，详细研究了e d f 、m e f 和m t s 调度算法，通过搭建的仿真环境，在网络 控制系统中存在紧急信息、周期性控制信息和非周期信息的情况下，分析比较了三种调 度算法的优缺点及适用范围。 ( 3 ) 研究了基于网络服务质量( q o s ) 和控制性能( q o p ) 的智能动态调度策略， 在m t s 优先级调度的同时，通过实时调度控制闭环的采样周期，在满足控制闭环性能要 求前提下，减少控制信息对网络资源占用，增加非周期信息传输带宽，提高网络控制系 统总体性能。 仿真研究表明，基于q o s 和q o p 的智能动态调度策略能够有效地提高网络控制系统 中各种信息的服务质量，实现网络控制系统总体性能的优化。 关键词：网络控制系统，调度，q o s ，q o p ，m t s ，变采样周期 a b s t r a c t7 0 i ：i j 论文 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 s ( n c s s ) i saf x o n t i e rr e s e a r c hw h i c hc o m b i n e sn e t w o r k t e c h n o l o g ya n dc o n t r o ls c i e n c e t h i st h e s i ss t u d i e st h es c h e d u l i n ga n dt h es i m u l a t i o n p r o b l e m so fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s t h ec o n t r i b m i o mo ft h ew o r k sa r el i s t e di nt h e f o l l o w i n g ： f i r s to fa l l ，t h i st h e s i sa n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f f o u rm a i nt y p e so fc o n t r o ln e t w o r k s t h e n ，i ti n t r o d u c e st h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e m e t h o d so fu s i n gt r u e t i m et o o l b o x ，w h i c hi st h ef o u n d a t i o no ft h en c s ss i m u l a t i o n s e c o n d l y , t h i st h e s i s e l a b o r a t e st h ec o n c e p to fi n f o r m a t i o n s c h e d u l i n g i nn c s s s y s t e m a t i c a l l y , a n dd i v i d e st h es c h e d u l i n gs t r a t e g i e so fn c s si n t ot h r e ek i n d s ：t h es t a t i c s c h e d u l i n gs t r a t e g i e s ，t h ed y n a m i cs c h e d u l i n gs t r a t e g i e s ，a n dt h em i x e dt r a f f i cs c h e d u l i n g s t r a t e g i e s ，a n da n a l y s et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t h e ni ts t u d i e st h r e et y p i c a l s c h e d u l i n gs t r a t e g i e s ：e d f , m e f , a n dm t s t h r o u g hs i m u l a t i o n , w h i c hi n c l u d e st h r e ek i n d s o fi n f o r m a t i o n , i tc o m p a r e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a b l e s c o p eo ft h r e es c h e d u l i n g m e t h o d s b a s e do nt h es c h e d u l i n gm e t h o d s ，t h i st h e s i sp r o p o s e sa ni n t e l l i g e n td y n a m i cs c h e d u l i n g b a s e do nq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) a n dq u a l i t yo fp e r f o r m a c e ( q o p ) o f n c s s ，b ya d j u s t i n g t h es a m p l ep e r i o d so ft h ec o n t r o ls y s t e m so n - l i n e w h e nt h ep e r f o r m a n c eo f s y s t e ms a t i s f yt h e r e q u i r e m e n t s ，t i m e - v a r y i n gs a m p l i n gp e r i o ds c h e d u l i n gc a l lr e d u c e st h en e t w o r kr e s o u r c eo f c o n t r o li n f o r m a t i o n ，a n dt h e nt h ea p e r i o d i ci n f o r m a t i o nc a ng e tm o r en e t w o r kr e s o u r c e ，o b t a i n h i g h e rq o su n d e rc e r t a i nc i r c u m s t a n c e s ，t h u st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo fn c s sc a l lb e i m p r o v e d t h es i m u l a t i o nr e s e a r c hi n d i c a t e st h a t , t h ed y r 姗a cs c h e d u l i n gs t r a t e g yb a s e do nq o s a n dq o pc a l le f f e c t i v e l yi m p r o v et h eq o so fd i f f e r e n tk i n d so fi n f o r m a t i o ni nn c s s ，a n d o p t i m i z en c s s o v e r a l lp e r f o r m a n c e k e yw o r d ：n c s s ，s c h e d u l i n g , q u a l i t yo fs e r v i c e ，q u a l i t yo fp e r f o r m a c e ，m t s ， t m a e - v a r i n gs a m p l ep e r i o d l l 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己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：口扩年厂月芗口日 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。 硕：i = 论文网络控制系统的调度和仿真研究 1 绪论 1 1 网络控制系统研究背景 随着控制任务和结构的日益复杂化、系统各部件之间共享和交换信息的急剧膨胀， 以及计算机、通信、传感器和网络技术的发展与广泛应用，一种新型的分布式、智能化、 网络化的控制系统应运而生一网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，n c s s ) ，它是 利用专用或通用的通信网络连接构成控制闭环的控制系统n 1 。网络构成反馈通道，信息 通过网络进行传输和交换，摆脱了传统点对点连接的束缚，打破了系统在空间位置上的 限制，拓宽了控制活动的场所，降低了系统连接的复杂性、运行成本和维护费用。远程 遥操作、遥医学、远程教学、无线网络机器人、某些兵器系统以及新兴的以现场总线及 工业以太网为基础的控制系统均属于网络控制系统的范畴，此外，网络控制系统在航空 航天领域以及复杂、危险的工业控制领域也具有广阔的应用前景。 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。 + 在网络控制系统带来诸多优点的同时，也给控制学科带来了新的挑战。一方面，网 络控制系统中的各类信息以分时复用的方式共享有限的网络资源，网络中数据包的传输 速率、数据包长度以及所采用的介质访问控制方式均影响着网络控制系统的性能。因此， 网络的介入不可避免地在控制回路中引入了网络诱导时延、数据包丢失、数据包时序错 乱等问题，使得传统控制系统的研究方法难以直接应用于网络控制系统，迫切需要研究 新的控制理论与方法。另一方面，网络是信息传输的载体，必然存在着信息调度的问题。 尤其对于许多实际的复杂程度高并且空间分布广的系统，受网络带宽的限制，若采用的 调度方法不当将导致系统数据和控制命令在传输时发生严重阻塞以致丢失，不仅降低了 信息传输的实时性，而且恶化了系统的控制性能。因此，与传统的点对点连接的控制系 统不同，网络控制系统的性能不仅依赖于控制策略的优劣，同时还取决于网络中信息调 度策略的优劣，两者是相辅相成的。充分考虑网络运行性能、控制需求等多重因素的影 响，从控制与调度综合的角度对网络控制系统合理地建模、分析和设计，是网络控制系 统实用化所必需的理论基础和技术支撑。 1 l 绪论 硕：i 二论文 网络控制系统所带来的机遇与挑战使之得到了控制界和工业界极大的关注。目前美 国加州大学b e r k e l e y 分校、b e l l 实验室、a t & t 的i n t e m e t 研究中心、m a r yl a n d 大学、 c a s ew e s t e r nr e s e r v e 大学、瑞典l u n d 工学院、以及国内的多所重点大学均展开了网 络控制系统的研究。 本课题获国家自然科学基金项目资助。网络控制系统的发展正呈方兴未艾之势，其 应用范围之广，影响层面之深已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 网络控制系统概述 定义1 ：通过网络形成的闭环反馈控制系统称为网络控制系统( n 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 ) ，其特征是系统各组件( 传感器、控制器、执行器) 之间可以通过网络 交换信息【2 1 。 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。由图可看出网络控制系统的结构，主要 包括： ( 1 ) 传感器节点，采集被控对象输出值，通过网络把数据传到其它节点； ( 2 ) 执行器节点，通过网络接收新的输入数据，作为被控对象的输入； ( 3 ) 控制器节点，通过网络从传感器节点接收被控对象的输出值，运用控制算法 计算控制信号，并通过网络传输到执行器节点。 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。 2 顾二l 论文网络控制系统的调度和仿真研究 - l望! 三 。广r 对象 = n l = 三竺 ： x ( t ) - 厂而一司 r1 b q n “n ，6 d 网络通道 n 一 、 、一 l ji j l 执行器 g c 传感器 延迟 一! jl 1 1 卜| 一 延迟 吲乏孑h 一 广：矿 盘相i 珙l 广_ = j 厂 一 日田 图1 2 i网络控制系统结构 网络控制系统中，传感器、控制器和执行器通过共用的通讯介质相连，各部分之间 可以实现点对点的对等通讯。由于网络控制属于一种彻底的分布式控制结构，因此具有 系统联机少、可靠性高、易于扩展以及信息资源共享等特点。网络控制系统可分为远程 和局域网控制系统，远程网络控制系统的主要优点是便于实现遥操作、遥医学、远程教 学和实验，典型的应用包括用于天际网络空间实验室遥操作机器人、远程外科手术等； 局域网络控制系统典型应用包括网络家电、蓝牙技术、办公系统和计算机集成制造系统。 1 3 网络控制系统基本问题 网络控制系统在通过网络资源共享给控制系统带来诸多优点的同时，也给控制界引 入了新的挑战。网络控制系统研究的复杂性是由控制系统中所引入网络的自身特点决定 的，如网络诱导时延、数据包丢失、数据的单包和多包传输、数据包乱序及网络调度等 问题。 1 3 1 网络诱导时延 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。由于网络的介入而使得控 制系统的信息传输产生的时延，称之为网络诱导时延。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。网络诱导时延问题是网 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 3 3 。 1 绪论t 呗- i ：论文 一撕器h 洲艨h 燃器 审 道 申 控制器 矿 图1 3 1 控制系统的时延分布 网络诱导时延由以下几部分组成：传感器节点采集数据、处理数据所花费的时间f ， 传感器节点竞争发送权等待的时间和传感器数据在网络中的传输时间f ”，控制器节点 计算控制量、处理数据所花费的时间f 。，控制器节点竞争发送权等待的时间和控制量在 网络中的传输时间f 。，执行器节点处理数据所花费的时间r 。其中，节点采集、计算、 处理数据所花费的时间称为器件时延，取决于所采用的软、硬件，若采用的处理器速度 足够快，可将其视为常数甚至忽略不计。节点竞争发送权等待的时间和数据包在网络中 传输的时间称为网络时延，取决于网络自身的特点，如采用的介质访问协议( m e d i u m a c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 、数据传输速率和数据包长度等。通常，为研究方便，将器件时 延和网络时延合并考虑，- 标记为传感器一控制器时延和控制器一执行器时延。 受网络拓扑结构、网络所采用的通信协议、路由算法、网络的负载状况、网络的传 输速率和数据包的大小等因素的影响，网络诱导时延呈现或固定、或随机时变、或不确 定时变的特征【4 。如：以太网采用的是介质存取控制机制( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t ，c s m c d ) ，节点发送信息之前，首先侦听网络是否空闲，若 空闲，则立即发送信息，否则处于等待状态直至网络空闲再尝试发送。若多个节点同时 侦听到网络空闲并同时发送信息时，信息发生“碰撞”，则网络立即停止发送信息，等 待一个随机长度的时间段后再尝试重新传输信息，时延呈现随机时变的特性。在令牌环 ( t o k e np a s s i n g ) 网中，令牌在网络节点间依次传输，节点获得令牌时才能发送数据。 节点等待发送所需要的时间由网络的节点数以及自身的优先级决定，一旦这些因素确 定，节点等待发送数据的时间即可确定，因此在令牌网、令牌环网中，网络时延呈现固 定的特征。c a n 采用的是载波侦听多路存取消息优先仲裁( c s m a a m p ，c a r r i e rs e n s e m u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n a r b i t r a t i o no nm e s s a g ep r i o r i t i e s ) 协议，节点发 送信息之前，首先侦听网络是否空闲，若空闲，则立即发送信息，否则处于等待状态直 至网络空闲再尝试发送。当信息发生“碰撞时，按照各自的优先级分配网络使用权， 优先级最高的节点获得网络使用权，时延呈现不确定时变的特性。总之，根据不同的网 络协议，可以将网络诱导时延建模为固定时延、随机时延、不确定时延。-_ 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： 4 硕士论文网络控制系统的调度和仿真研究 ( 1 ) 轮流访问网络 对于采用轮流访问网络协议，如i e e e 8 0 2 4 、s a e 令牌总线、p r o f i b u s 、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r f = f 。，r 尹= f 篇； ( 2 ) 随机访问网络 随机访问网络的代表有以太网和c a n 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 a r k o v ) 链【5 】、a r m a 模型和流线模型对时延进行建 模分析。 1 3 2 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。由于网络 的阻塞和连接中断，系统可能会失去同步，产生空采样，导致数据在传输中发生丢失和 出错。其次，由于节点间竞争数据发送权需花费时间，若节点在规定时间内未能将数据 成功发送出去，则该数据将被丢弃。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间内仍然没有成功地发送，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。从系统信息的传输来看，数据包丢失相 当于信息传输通道暂时被断开，使系统结构和参数发生了较大的变化。闭环控制系统虽 然对系统中结构和参数的变化具有一定的鲁棒性，但还是会造成系统性能的下降，严重 时将导致系统不稳定。 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 3 网络带宽限制 在网络控制系统中，网络有效带宽是除去帧头、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。设计网络控制系统时，主要考虑因素之一就是网络的可用带宽。 为了满足网络控制系统的实时性和控制性能，研究网络带宽的控制是很有必要的。 1 3 4 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 5 1 绪论颂： 二论文 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 5 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，以事先确定的时伺点为节点动作的依 据，本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有以下优点： ( 1 ) 控制器或执行器为事件驱动方式时，从源节点( 传感器或控制器) 发送的数 据一旦到达目标节点( 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； ( 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已逐渐采用了事件驱动方式，如美国e c h e l o n 公司推出的 l o n w o r k s 现场总线技术。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 6 网络控制系统的调度 在网络控制系统中，控制回路的性能不仅依赖于控制算法的设计，还依赖于网络资 源的调度，尤其在网络资源十分有限的条件下，对网络控制系统进行实时性调度分析显 得尤为重要。网络调度问题就是网络中的各节点在共享的网络传输介质中发送数据包 时，规定数据包的优先级( 顺序) 和何时发送数据包的问题嘲。 为了保证控制系统的稳定性、实时性，各个被控对象都要以一定的传输速率传输采 样数据和控制数据。多个被控对象共享网络资源，这就导致了来自多个被控对象的数据 同时访问网络而产生共享冲突的问题。网络调度就是为了解决各个被控对象的数据传输 时同时访问网络而产生的冲突问题，对各个被控对象的网络资源的需求尽可能合理地分 6 硕士论文 网络控制系统的调度和仿真研究 配，使得整个网络控制系统能够达到期望的性能要求。 研究网络控制系统的调度的目的是使用适当的调度算法使得网络环节对控制系统 的性能影响减小。从网络层次来看，网络控制系统的调度方法可以分为两类：m a c 层 调度和应用层调度。m a c 层调度其过程是数据链路层通过一个调度器控制网络中各个 现场设备对网络传输介质的访问，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。m a c 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，因而调度缺乏灵活性，只能适应少数算法。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。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。应用层的调度 还可以调度网络控制系统中各控制环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络中数据冲 突现象的发生，从而最大限度地减少数据的传输时延。 1 4 网络控制系统研究现状 将网络引入到控制系统不可避免带来了网络传输的不确定性和不可靠性，网络控制 系统的研究主要针对这个问题展开，其目标是在网络环境下保证控制系统有良好的性能 和稳定性。目前主要有两类设计网络控制系统【1 7 】的方法： 第一类是从控制的角度，把现有的网络结构、协议等当作既定条件，在此基础上设 计控制系统的结构和控制算法，来补偿或减小网络时延、数据丢失等问题对控制系统的 不良影响，关键是通过控制器的设计来保证控制性能质量( q u a l i t yo f p e r f o r m a n c e ，q o p ) ； 第二类是从网络的角度，设计一种通信协议，来减小网络时延、数据丢失等问题对 控制系统的影响。网络协议是保证网络服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 的必要条件。 在有限带宽条件下合理调度n c s s 的各种业务数据、充分配置网络带宽、有效控制网络 负荷以限制网络时延的范围及减少丢包、抖动的发生，从而确保n c s s 预期的控制性能。 到目前为止，网络控制系统的研究领域同时包含连续域和离散域；网络控制系统的 对象包含线性定常、线性时变和非线性的对象；系统分析和设计方法有基于随机控制理 论的方法、基于确定性控制的方法、基于鲁棒控制的方法、基于自适应控制、智能控制、 预测控制的方法及基于离散事件系统、混合系统的方法；研究的问题包含网络时延，数 据包丢失，多包传输及网络调度方法等问题，下面分别予以介绍。 1 4 1 时延问题 如果网络时延是分布特性己知的随机量，简化网络控制系统为一个随机系统，利用 随机控制的理论和方法进行系统分析与设计。当网络时延是时变、不确定时，可采用鲁 棒控制、自适应控制、智能控制等方法对具有时变时延的网络控制系统进行分析与设计， 7 1 绪论硕二 ：论文 也可通过在控制器和执行器节点设置一定深度的先进先出( f i f o ) 缓存器等方法，将时 变时延转化为固定时延，利用确定性系统的方法进行系统分析与设计。 对于随机时延网络控制系统，人们较早地利用随机控制理论进行n c s s 分析和设计， 已经取得了一系列成果。应用随机控制方法关键在于对网络延时的合理建模和估计，将 网络延时作为系统中的随机变量或随机过程，设计随机最优控制率。n i l s s o n 提出将随 机最优控制方法用于带有随机延迟的n c s s 中。在假设延迟小于采样周期的前提下，基 于离散域，将网络延迟建模为独立随机延迟或利用m a r k o v 链建模为随机网络延迟等， 把n c s s 中的随机网络延迟作为一个线性二次型高斯问题( l q g ) 来处理：该方法中也 指出了时间戳的重要性【8 】。m i c h a e l 针对网络控制系统中普遍存在的通讯延迟问题，设 控制器是时间驱动，利用在控制器和执行器接收端设置缓冲区的方法，设计了延迟补偿 器，该结构同时实现对噪声的滤波处理【9 】f e n g - l i l i a n 针对m i m o 网络控制系统进行 了时延分析和建模，并设计了最优控制器【1 0 1 。针对时延大于一个采样周期的情形，也出 现了一些新的方法，例如混合系统等。朱其新等针对控制器和执行器均为事件驱动，网 络时延上限大于一个采样周期时，分别建立了s i s o 和m i m o 网络控制系统的离散模型， 研究了闭环系统的稳定性，给出了随机最优控制器的设计方法】【1 z 】。 对于固定时延网络控制系统，应用确定性设计方法首先将随机时变延迟转化为固定 或周期性延迟，然后针对固定延迟设计控制器。排队机制用于将n c s s 中的随机延迟重 构为确定性延迟，使n c s s 变成时不变系统。早期的排队方法提出基于预估器的确定性 延迟补偿方法，设计一个观测器估计设备状态，一个预估器计算基于过去的输出测量值， 把控制和历史输出测量值分别存放在一个f i f o 队列和一个移位寄存器上，由于观测器 和预估器性能依赖模型精度，所以设备模型要求必须非常精确【13 1 。r a v 提出确定性离散 增广模型，用于控制含有周期性网络延迟的线性设备，模型简单直接【1 引。l i o u 将其修改 为可处理传感器和控制器采样速率不一致的情况。该方法的主要思想是产生一个增广状 态向量，这个向量包括设备的历史输入和输出值及当前控制器和设备的状态向量，最终 建立一个有限维的时变离散状态模型来分析系统稳定性和性能【l5 1 。该方法同时考虑了拒 绝( 即采样时间大于延迟时间) 和空采样( 即采样时间小于延迟时间) 的情况。 1 4 2 单包传输和多包传输问题 多包传输的网络控制系统既包含了s i s o 对象采用多包传输的系统，又包含了被控 对象为m i m o ，具有多个传感器、控制器及执行器的系统。在m i m o 网络控制系统方 面，f e n g - - l i l i a n 研究的网络控制系统，假设时延是具有某种统计规律的随机量，利用 随机控制理论，讨论了控制器的设计方法【1 6 】。f e n g - l i l i a n 又针对传感器和控制器均为 时间驱动，执行器为事件驱动的网络控制系统，假设网络时延是固定的，且小于一个采 样周期，给出了网络控制系统的离散时间模型和最优控制器的设计方法【】7 1 。由于多包传 8 硕二i 二论文 网络控制系统的调度和仿真研究 输网络控制系统相对于单包传输网络控制系统要复杂得多，目前的研究成果中对系统部 件的工作模式( 控制器和执行器采用事件驱动还是时间驱动) 等问题尚未有统一的结论， 可以说多包传输网络控制系统尚处于起步阶段，有待于进一步的研究。 1 4 3 网络控制系统调度研究 ， 以往对网络控制系统的研究主要是针对网络控制系统的控制性能的设计，近年来， 对网络控制系统中信息的调度研究成为一个新的研究热点。 n c s s 中的信息调度策略可以分为三类：静态调度策略、动态调度策略、动静态混 合调度策略。静态调度策略离线分配好各节点的网络带宽或者优先级，在系统运行过程 中保持不变，因此灵活性较差。动态调度策略考虑n c s s 中信息流的时变性，根据系统 需求在线调整各节点的网络带宽或者优先级。动静态混合调度策略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。 对于一组相互独立的实时周期任务，l i u 和l a y l a n d 【18 】提出了两种基于优先级的调 度算法：e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ( e d f ) 调度算法和r a t em o n o t o n i c ( i m ) 调度算法。 r m 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。该算法是 一种静态的调度算法，任务的优先权在任务执行之前已经确定且不会随时间变化。此外， r m 算法是抢优的，即当前执行的任务会被新到达的优先级更高的任务中断。w e i z h a n 毋憎j 对r m 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。而e d f 算法是根据任务距离时 限要求的长度分配任务的优先级：距离时限要求越小的任务获得的优先级就越高。该算 法是一种动态的调度算法，任务的优先级不是固定不变的，而是随着时间的变化而变化， 任务的优先级相对于时间是不确定的。 在网络控制系统中，w a l s h t 2 2 等提出了在控制器输入端使用动态调度协议和零阶保 持器，并引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 a l s h 提出了一个动态调 度协议m e f - t o d ( m a x i m u me r r o rf i r s t t r yo n c er d i s c a r d ) 协议，误差最大的传感器 拥有发送数据的最大优先级，如果传感器在竞争网络时被拒绝，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。 o t a n c z 等【2 l 】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，死区参数设置优化问题。 文献 2 2 】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 9 l 绪论硕j ：论文 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 p u 调度和网络调度进行了比较。 由于调度和控制涉及的专业领域不同，当前设计实时控制系统时一般都把控制器和 网络系统分离设计。在对实时控制系统的灵活性要求越来越高的趋势下，调度理论和控 制理论的紧密结合就显得更为重要。s e t o 2 6 在1 9 9 6 年率先提出了控制器和实时系统及 调度间的协同设计方法，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值。瑞典l u n d 工学院对此问题进行了大量的研 究，并设计了t r u e t i m e 仿真工具箱【2 7 】【2 8 1 。 早期对实时调度的研究主要集中在如何保证完全避免非期望因素的影响，如过载和 超时限，自适应实时系统的目标是动态地处理这些影响。在自适应实时调度中还有许多 研究问题尚未解决。特别是系统设计者如何确立自适应实时系统的性能需求，设计者如 何才能系统地设计一种调度算法来满足系统的性能指标等。对于自适应系统的设计方法 论在反馈控制理论中已经提出来了，然而，反馈控制理论大多是用于机械及电子系统。 在试图把反馈控制理论应用于计算机系统领域中，自适应实时系统的建模和实现的研究 都面临着很大的挑战。 在国内，实时控制系统调度与控制协同设计的相关研究成果还不多见。无论是从控 制策略的设计还是从网络资源的调度来看，n c s s 的研究仍然处于起步阶段，还有下列 问题需要进一步研究： ( 1 ) 现有的实时调度算法如r m ，e d f 等，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，但是在网络资源不可测的动态系统中，算法的有效性极大的降低。 因此，如何提高调度算法在网络资源未知的情况下的系统性能，有待于进一步的研究； ( 2 ) n c s s 调度策略的研究亟待深化。已有的调度策略多数是建立在固定采样周期 的基础上，对提高网络运行效率是有限的，有必要研究智能动态调度策略，通过实时调 整采样周期，适应网络中信息流的时变特性，以达到合理分配网络资源的目的； ( 3 ) 控制与调度协同设计缺乏理论技术支撑。动态调度策略必然要求采样周期在线 调节，考虑采样周期动态变化的n c s s 是一个变采样周期系统，而变采样周期系统控制 理论的缺乏是n c s s 中控制与调度综合设计深入研究的瓶颈。 1 5 本文研究内容安排 本文主要针对网络控制系统中的调度和仿真问题进行研究，分析了网络控制系统中 的调度算法，并基于网络控制系统的q o s 和q o p ，采用智能动态调度策略，通过改变 。 控制闭环的采样周期，节省控制闭环所需网络带宽，综合改善网络控制系统的整体性能， 并通过仿真验证了本文的理论。 本论文各章内容组织如下： 1 0 颀二f ：论文 网络控制系统的调度和仿真研究 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 章首先针对工业中常用的几种控制网络( 以太网、令牌网和设备网) 的介质访 问控制( m a c ) 协议进行了详细分析，并对几种控制网络的优缺点进行了分析比较；然 后对网络控制系统中不同的拓扑结构产生的时延进行了讨论，最后对本论文中使用的仿 真工具箱t r u e t i m e 进行了介绍，为网络控制系统调度的仿真奠定了基础。 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， 将网络控制系统中调度算法大致分为三类：静态调度算法、动态调度算法和动静态混合 调度算法。本文对这几类调度进行分类介绍，并分析了其优缺点；然后详细分析了三种 调度算法：e d f 调度、m e f 调度租m t s 调度算法，并通过仿真比较了三种算法的优缺 点及适用范围。 第4 章首先研究了基于死区的动态调度策略，然后分析了采样周期对控制系统性能 的影响，提出基于q o s 和q o p 的智能动态调度策略，在改善网络调度策略的同时，针 对网络的运行性能，加入变采样周期的动态调度器，减少控制信息对网络资源的占用， 增加网络中的非控制信息传输带宽，实现网络信息的有效调度，提高网络运行性能，实 现网络控制系统总体性能的提高，并通过仿真验证了算法的可行性和有效性。 最后，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：j 二论文网络控制系统的调度和仿真研究 2 网络控制系统基础 2 1 控制网络性能分析 网络控制系统的实现可以选择不同的网络，如以太网、控制网、设各网和无线网络 等。网络控制系统的性能与网络的传输速率、m a c 协议、数据包长度等因素有关，因 此下面将分析比较工业中常用的四种控制网络，主要讨论它们的m a c 协议【2 9 1 。 2 1 1 以太网( e t h e m e t ) 以太网( e 也e r n e t ) 的m a c 协议为c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o n d e t e c t ) 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( b 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i 表示节点检测到第i 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1 0 次后，间隔固定在1 0 2 3 个时间片上。大于1 6 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 71662o 一1 5 0 00 4 64 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 、r 系统开锱= 2 2 字节4 6 1 5 0 0 字节4 1 # 节 图2 1 1 以太网( e t h e m e t ) 数据帧格式 以太网( e t h e m e t ) 数据帧的结构如图2 1 1 所示【3 0 】。帧的控制部分有2 6 个字节， 帧的长度在4 6 1 5 0 0 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6 4 个字节( 包括前同步和开始分隔符共7 2 个字节) 。如果数据帧中的数据部分少于4 6 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 会出现零散的帧，最小帧长可以把有效帧与“+ 垃圾帧 区