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基于调度的网络化控制系统基于调度的网络化控制系统 曾玉君 兰州理工大学电气与信息工程学院 甘肃 兰州 730050 摘摘 要要 网络化控制系统 NCSs Networked Control Systems 是基于网络的分布式控制系统 具有强实时性 本文分析 了网络控制系统的特点 网络时延与控制系统性能间的关系 分类介绍了当前网络化控制系统的研究方法 分析角度 及策略 关键词关键词 网络化控制系统 网络时延 调度 中图分类号中图分类号 TP273 文献标识码 文献标识码 A Networked Control Systems based on Scheduling ZENG Yu jun College of Electric and Information Engineering Lanzhou University of Technology Lanzhou 730050 China Abstract The NCSs Networked Control Systems is a network based distributed control system with strong real time performance In this paper the characteristics of the NCSs are introduced and the relationship between the network induced delay and the control system performance is discussed Recent networked control techniques and strategies are presented and their state of arts are discussed separately Keywords networked control systems network induced delay scheduling 1 1 引 言 引 言 网络化控制系统是基于网络的分布式控制系统 系统通过网络构成控制回路 通常包括多个子控制系统 1 图 1 为网络化控制系统的结构框图 网络控制系统利用串行通信网络在分布化的设备之间进行信息和控制信号 的传输 目前普遍应用的现场总线与工业以太网构成的系统都属于网络化控制系统 控 制 对 象 传感器 网络时延网络时延 执行器 控制器 监控器 控制 闭环i 控制 闭环N 网络 其它 信号 其它 信号 图 1 NCSs 的系统结构图 网络化控制系统具有严格的实时性要求 要求控制任务的信息传递必须在一定的通信时间内完成 网络是 信息传输的通道 对于网络通道而言 每次只能够在网络中传输一种设备的信息 如控制系统中的传感器信息 控制器输出命令等 由于网络带宽的限制以及系统对传输时间的截止期要求 系统的实时性能将会受到影响 因此网络控制系统的性能不仅取决于常规控制系统的控制算法设计 而且取决于共有通信网络资源的调度 所 以要对系统中各个节点进行传输分配 目前网络化控制系统的研究往往将网络通信调度与系统控制分开进行 而对于网络控制系统而言这两者又 是一个整体 必须同时考虑 才能得到理想的控制性能与高的网络利用率 将调度方法与系统控制结合起来进 行研究是一个较新的研究领域 有关这方面研究才刚刚起步 2 3 本文首先分析网络化控制系统的特点 网络时延与控制系统性能间的关系 而后介绍当前网络化控制系统 的研究方法 分析的角度及策略 最后对当前的研究现状进行了分析和评述 2 网络化控制系统的特点 2 网络化控制系统的特点 NCSs 是网络技术与工业应用相结合的产物 是计算机控制系统更深层次的发展 与分层控制系统相比 具有如下特点 4 5 1 NCSs 支持总线型 星型和树型等多种拓扑结构 其结构层次少 而且系统更加稳定 2 分层控制系统的控制功能由中央控制器完成 其它设备只是信号的提供者和执行者 不具有直接控 制功能 而 NCSs 的各节点都是智能体 具有计算 分析 处理和通信能力 既可实现分散的局部控制又可通 过网络通信完成各节点间的协调 3 网络时延与控制性能间的关系网络时延与控制性能间的关系 网络控制系统中时延的位置分布如图 2 所示 sc ca c s c 图 2 NCSs 时延分布 图中采样计算时延为 s 传感器到控制器的时延为 sc 控制器执行运算产生的时延 c 控制器到执行 器的时延 ca 执行器计算时延 a 这样 整个控制回路总的时延可以表示为 ssc kkk c k caa kk 其中k代表第k个采样时刻 计算时延 sca kkk 取决于节点负荷 调度等 它们与 sc k 和 ca k 相比 数值 和变化都很小 通常 sa kk 可忽略不计 而 c k 可包括在 ca k 内一起考虑 对整个系统的分析是等价的 6 7 对于确定了控制策略的控制器而言 这几类时延可以捆绑在一起进行分析 即 scca kkk 网络有限的通信带宽 承载能力和服务能力使数据的传输可能经历时延 丢包以及多包传输等诸多问题 其中时延是造成系统性能的下降的最基本因素 从控制的角度看 网络控制系统中的时延将使系统相位滞后 大大降低控制系统的性能 例如使系统的上升时间增大 超调量增大 稳定时间变长等甚至导致系统不稳定 8 9 即使系统仍然保持稳定 稳定区域也会显著减小 从调度的角度看 时延将使信息不能准时到达 丢失截止期 甚至产生多米诺效应 因此 在系统设计时如果不考虑这些因素 就会达不到期望的控制要求 4 网络化控制系统的调度方法网络化控制系统的调度方法 网络化控制系统由一组基于网络的闭环控制系统构成 每一个控制回路通过网络传送系统信息 传输信 息主要包括周期性与非周期信息 其中周期性通信的实时性对于系统的性能来说最为重要 4 1 周期性任务 假设一组控制回路任务集合为 L1 Li Ln 控制回路 Li为周期控制任务 每个周期控制回路 Li 都要占用一定时间的网络资源 主要是控制信息在网络上的传输任务 包括传感器采样信息 输出控制信 息等内容 每一个网络控制回路 Li具有一定的时间限制 每个控制回路的网络传输模型表示为 Li Ti Di Ci Bi 其中 Ti为控制周期任务的执行时间 Di为相对时限 Ci为任务执行时间 Bi为传输的阻塞时间 要求每 个控制周期的任务都必须在本周期结束之前完成 网络化控制系统的调度主要是分配网络资源 对网络中的每一个系统进行传输调度 使得控制系统能够 满足周期和控制任务限制的实时要求 保证控制任务的信息传递在一定的通信时间内完成 从而提高网络的 利用率 假设每个网络控制系统的状态信息通过一组数据包在网络中传送 因此对于网络控制系统的传输调 度可以采用单处理器系统任务的非强占调度方法 如单调速率 RM 和最小截止期优先 EDF 等调度算法 10 11 对于一组独立的具有n个周期的强占性任务 当网络的利用率U满足式 1 的关系时 网络的传输任务就 可以被 RM 算法调度 12 其中短周期的任务具有更高的优先级 1 1 21 n i i i i C Ui T 1in 1 in TTT 1 对于网络化控制系统而言 网络的调度传输一般具有非强占性 网络中传输的任务信息必须在截止期之 前完成 控制任务传输期间网络具有专用性 对于一组非强占周期性任务 可以采用非强占 RM 调度方法 条 件是在式 1 的基础上 加上阻塞时间 i i B T Bi为最低优先级传输任务的最大阻塞时间 对于网络化控制系统而言 系统的传输周期与系统中传感器的采样周期是一致的 周期的大小会对系统 的性能产生极大的影响 当传输周期变大时 网络控制系统的性能与常规数字控制系统相同 系统性能降低 而当传输周期较小时 由于网络通信负载增加 对有限带宽网络的竞争和数据丢失可能性增加 因此会产生 较长的时延 从而导致系统性能降低 因此正确进行传输周期选择对系统性能极为重要 4 2 非周期性任务 假设系统非周期任务队列 Ts s1 sm 其中任务 si s d ct p s 是非周期任务的开始时间 d 是任务执行最后时限 ct是该任务当前对处理机的时间需求 任务提交时它的值等于任务的执行时间 当处 理机使用权从该任务转向其他任务时从 ct减去本次调度执行的处理机时间 当 ct为 0 时删除该任务 p 是该任 务的伪周期 p d s p 值越大任务的优先级越低 任务队列 Ts满足 12 sssm ppp L 2 非周期性任务在当前时间 t 总的处理机时间需求 1 i isjt j v tc 其中 sjt c 是任务 sj 在时间 t 对处 理机的时间需求 如果保持系统周期任务队列不变 而在任务切换点检查非周期任务请求 就可以判定哪些非 周期任务请求可以接受 哪些不能接受 从而实现强实时非周期任务的调度 13 结束语结束语 本文讨论了网络化控制系统的特点 网络时延与控制系统性能间的关系 分析了周期性任务和非周期性任 务下网络控制系统的调度算法 基金项目基金项目 甘肃省自然科学基金项目 ZS021 A25 017 G 资助 作者简介 作者简介 曾玉君 1980 男 汉族 硕士 控制理论与控制工程专业 研究方向 网络化控制系统 联系方式 联系方式 曾玉君曾玉君 地址 兰州理工大学地址 兰州理工大学 159 信箱信箱 邮编 邮编 730050 E mail ppp2008 Author brief introduction ZENG Yu jun 1980 male master major in networked control systems 参考文献 参考文献 1 Gregory C Walsh Hong Ye and Linda G Bushnell Stability Analysis of Networked Control Systems J IEEE Transactions on Control Systems Technology 2002 10 3 2 W Zhang Stability Analysis of Networked Control Systems D Ph D Thesis Electrical Engineering and Computer Science Case Western Reserve U May 2001 3 Michael S Branicky Stephen M Phillips Wei Zhang Scheduling and Feedback Co Design for Networked Control Systems C IEEE Conf on Decision and Control Las Vegas 2002 December 10 13 4 Halevi Y Ray A Integrated communication and control system Part Analysis J ASME Journal of Dynamic Systems Measurement and Control 1988 110 4 367 373 5 顾洪军 张佐 吴秋峰 网络控制系统的机理描述模型 J 控制与决策 2000 15 5 633 636 GU Hongjun ZHANG Zuo WU Qiufeng The mechanism description model of networked control systems J Control and Decision 2000 15 5 633 636 6 安伟 安连详 马晓荷 网络控制系统中的时延分析 J 微计算机信息 2005 21 7 40 41 7 Nilsson J Real time control systems with delays D Sweden Lund Institute 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