網絡控制系統信息調度論文

導語：網絡控制系統信息調度論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要文章首先闡述了網絡控制系統中的信息特征和信息調度的概念和意義。根據網絡控制系統的研究方法：調度與控制分開設計和調度與控制協同設計兩大方面，介紹了網絡控制系統中信息調度的研究現狀。最后探討了有待解決的問題和發展趨勢。

關鍵詞網絡控制系統；信息調度；靜/動態調度；混合調度；調度與控制協同設計

1引言

網絡控制系統（NetworkControlSystem，NCS）是指傳感器、控制器和執行器通過網絡形成的閉環反饋控制系統。目前，大部分關于NCS的研究針對NCS存在的問題和特性建立系統模型、分析系統穩定性、給出控制方法和控制規律，以保證系統具有良好的穩定性和高質量的控制性能。然而NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制規律的設計，而且還受到網絡通信和網絡資源的限制。信息調度盡量避免網絡中信息的沖突和擁塞現象的發生，從而大大提高了網絡控制系統的服務性能。

2NCS中的信息特征與信息調度概念

在NCS中網絡傳輸的信息主要分為兩類：實時性信息和非實時性信息[3]。實時性信息對時間要求非?？量蹋绻谝幎〞r間的上限內某一信息未能起作用，則該信息將被丟棄，啟用最新的信息。而在NCS信息調度策略中主要調度兩類數據信息：周期性信息和非周期性信息。周期性信息是一種實時性信息，一般要求在傳輸周期時間內必須傳送給目標節點，周期性信息也被稱為時間觸發信息或者同步信息。非周期性信息是指節點間的請求服務等信息，它們的發生時刻是隨機的，非周期性信息也被稱為事件觸發信息、異步信息或者隨機性信息。

此外，在NCS信息調度中不能忽視突發性信息，突發性信息指一些事先無法預知的突發性的或者隨機的事件（例如報警信號、異常處理等），這類信息必須在一定時間內給予處理，否則系統可能出現異常甚至癱瘓。

在網絡控制系統中，信息調度發生在應用層，即傳感器、控制器與執行器之間信息傳遞的過程中。當系統網絡中某節點發生數據傳輸碰撞時，信息調度規定節點的優先發送次序、發送時刻和時間間隔，以避免網絡沖突。

在NCS中，如果網絡控制系統的所有數據傳輸都能在任務時限內完成，則稱網絡控制系統的傳輸是可調度的。

3典型的NCS信息調度算法

目前對網絡控制系統中信息調度的研究主要分為調度與控制的分開設計和調度與控制的協同設計。

3.1調度與控制的分開設計

在NCS的研究中，一類研究是針對通信網絡，研究提高網絡服務質量的信息調度方法；另一類研究是在一定的網絡信息調度方法基礎上，研究提高NCS性能的控制方法。因此，信息調度方法對改善NCS性能起著很大的作用。

根據信息對實時性的要求，信息調度分為靜態調度（又稱離線調度）、動態調度（又稱在線調度）和混合調度。

3.1.1靜態優先級調度

目前靜態調度算法很多，本文著重介紹以下幾種典型的算法以及算法的改進。

速率單調靜態優先級調度(RateMonotonicSchedulingModel)算法的調度優先級由任務周期確定，在任務周期等于時限的同步實時任務系統中是最佳靜態調度算法。但是該算法具有調度判定具有指數時間復雜度、對任務的執行周期限制的過于嚴格、只能處理具有固定周期的任務等缺點。鑒于上述缺點Lehoczky等[23]提出了擴大調度可行性條件的RM算法。Sha等[22]考慮到任務的阻塞，給出了非搶占服務方式下RM算法的可調度條件。葉明等[5]基于RM算法提出了一種新的實時調度算法(HardReal-timeCommunicationScheduler，HRTCS)。文遠保等[4]針對任務的周期和調度優先級關系不固定的流媒體提出了改進的RM算法。

截至時間單調調度模型(DeadlineMonotonicSchedulingModel)策略的任務優先級由任務時限來決定。該調度算法要防止任務越過其時限而得不到調度，從而影響系統的實時性。當任務周期和時限相同或者所有同步周期性任務時，DM算法都是最佳靜態調度算法。

由Hong等提出的基于時間窗的靜態帶寬調度算法避免了數據在網絡傳輸過程中產生干擾和數據沖突。Hong等還將該調度方法應用于循環服務型NCS和CAN網下的NCS中。

劉魯源[6]等鑒于該調度方法只限于調度網絡中的周期數據，提出基于同步相和異步相的時間窗調度算法，使非周期數據也可以采用該基于時間窗的靜態調度算法。

3.1.2動態優先級調度

在動態優先級調度算法中，任務的時間約束關系并沒有完全確定，新任務的到達時間是未知的。下面介紹幾種經典的動態優先級調度算法。

Liu和Layland提出的時限最早的任務優先調度（Earliestdeadlinefirstscheduling），任務優先級是任務時限與任務執行時刻的差，該算法對同步周期任務組是最佳的動態調度算法。鑒于EDF是搶占式調度算法，任務間的切換時需要大量開銷。Baker[12]給出了非搶占士服務方式下EDF算法的可調度性條件。張惠娟等[11]提出了一種基于EDF算法的優先級驅動實時調度算法，較大程度地克服了EDF算法在多處理器系統中的調度缺點。劉懷等[10]提出了基于EDF算法的容錯調度算法。張奇智等[7]采用非中斷的EDF調度方法來改善周期性數據幀的端到端延遲。洪艷偉等[1]提出了分別在簡單模型上和復雜模型上如何判定實時任務的可行性。

最小松弛優先調度(Leastlaxityfirst)和EDF算法可看作同類型的調度算法，任務優先級是完成時限和任務執行時刻的差再減去周期任務的執行時間。LLF算法盡量避免了長周期任務的頻繁等待、執行，具有較小的抖動性。

最大誤差優先—嘗試一次丟棄(mosterrorfirst-tryoncediscard)是Walsh等[8]人提出的基于在線獲取的網絡誘導傳輸誤差和動態分配網絡帶寬的調度算法。

Otanez等[9]人提出的基于死區的動態調度在確保系統性能的基礎上動態地丟棄一定比率的數據，以減輕網絡的負荷。但是當多個獲準訪問網絡的數據包同時競爭網絡資源時，該策略不能確定數據包發送的優先級。

基于業務平滑的動態調度是Kewon等利用業務平滑的技術控制Ethernet網的通信量，通過在Ethernet網的UDP(TCP/IP)層和MAC層插入定速率業務平滑器和自適應業務平滑器以限定MAC層數據包的到達速率，并且保證網絡誘導時延的有界性，從而提高網絡的服務質量.

Cena等提出的優先級提升—分布式優先級排隊調度(PP-DPQ)可以保證實時數據傳輸最大間隔具有確定上界，非實時數據在傳輸中公平地競爭網絡資源。

基于時間窗的動態調度（DynamicTimeWindow）是Raja對基于時間窗的靜態調度算法進行改進，提出優先級循環服務和動態時間窗的帶寬分配策略。

模糊動態調度是白濤[13]等將模糊控制理論引入到NCS信息調度中，利用基于IF2THEN規則的模糊邏輯確定數據傳輸的優先級。

3.1.3混合調度

Zuberi等針對CAN下網絡控制系統，提出混合通信調度(MTS)策略。在設計調度策略時，考慮到數據實時性要求不同，可以分別采用不同的調度策略，以提高網絡資源的可調度性。Tabuada等[27]給出的退火控制任務的事件觸發實時調度是基于有反饋事例的事件觸發調度器，并且給出了它如何保證系統性能的條件。

3.2調度與控制的協同設計

目前關于控制與調度共同設計成為研究熱點受到越來越多的重視，大體可分為開環調度和反饋控制實時調度兩方面。

3.2.1開環調度

1）對NCS中各個控制環中數據傳輸節點采樣周期和采樣時刻的調度

Hong基于“窗口”的概念，給出了一種通過調度采樣時間來減少時延的影響并提高網絡利用率的調度算法，建立了NCS控制系統性能與網絡性能間的約束關系。但該算法是基于令牌環系統(tokenpassingsystem)和輪詢系統(pollingsystem)的一維對象的調度，系統中信息類型僅限于周期性信息。Kim等[16]基于相同思想提出了適用于多維對象的采樣時間調度算法。劉魯源等[17]提出了利用剩余的時間窗口調度非實時數據提高了網絡資源利用率的調度算法。

2）調度優化

Seto[19]針對性能指標是單調遞減并且是每一任務頻率的凸函數的這樣一類控制系統，提出了一種通過改變采樣頻率使得任務能被EDF和RM調度的新算法，而且系統的性能在有限計算資源的約束下可達到最優。但該算法沒有考慮執行時間的變化與擾動問題。Cervin[20]考慮了具有時延變化的控制系統采樣周期的選擇問題，對低于一個采樣周期的時延系統的采樣周期進行了分析。Ryu等[21]以穩定狀態誤差、過沖、上升時間、沉降速度等作為控制性能參數，并將它們表示為采樣周期和輸入輸出延時的函數，在可調度約束條件下用迭代算法對這些性能參數進行優化。何堅強等[24]在上述研究的基礎上給出了NCS的優化模型并采用遺傳算法來求取采樣頻率。Branicky和Zhang等[25]提出將非搶占RM調度算法應用于網絡控制系統的調度，并給出了保證系統穩定和網絡可調度的充分條件。在此基礎上，Branicky等[26]進一步對網絡傳輸時間進行了分配，給出了網絡調度優化方法。

3.2.2反饋控制實時調度

開環調度算法在負載能精確建模的動態或靜態系統中可以取得很好的效果，可是在不可測的動態系統中，算法的有效性要極大地降低。近幾年來，“閉環”調度由于可以應用于很多實時領域因而引起了很多人的關注。在Seto等提出的系統控制和調度離線集成設計的基礎上，Cervin[14]提出一種將控制和調度動態彈性集成的框架，允許在線平衡控制性能和可用的計算資源。Stankovic等[18]提出了反饋控制實時調度的思想，而且還給出了一種結合PID控制和EDF調度器的反饋控制實時調度算法FC-EDF(FeedbackControl-EarliestDeadlineFirst)。湯賢銘等[2]提出了一種將動態死區控制和優先級分配相結合的反饋調度策略，用以解決在工作負載變動的環境中網絡控制系統的控制與調度問題。Eker等[15]開發出了針對線性二次(LinearQuadratic)控制的反饋控制器。在可調度的情況下通過調整控制環頻率來優化控制性能。Zhao[28]提出了一種結合速率單調調度和新的動態調度的動態反饋調度，用于調度預控制器產生的控制信號的傳輸，該調度算法確保了系統的穩定性，并且保證系統時延不超過保證系統穩定的上限。

4進一步可研究的參考方向

當前，NCS信息調度的研究已經取得了很多有益的成果。然而，NCS應用的復雜化以及NCS控制與調度的協調設計趨勢，使得現有的信息調度方法已不能滿足發展的需求。因此，給出信息調度的進一步研究問題和研究目標，以供參考。

（1）網絡控制的復雜化和網絡運行狀況的多變性，需要智能化強、實時性好的在線調度算法。

（2）現有的研究結果大多限于單控制回路，對共享網絡的多個控制回路的優化調度等問題需要進一步的研究。

（3）有帶寬約束的變速率網絡化控制系統的信息調度問題。

（4）不同數據流分配不同比例帶寬，用來提高高優先級別數據流的服務質量，避免低優先級別的數據流由于網絡超時而斷開的研究。

（5）研究NCS多目標優化問題的提取和求解。考慮網絡利用率、數據包丟失率、系統穩定性等多重約束，建立NCS多目標優化問題的數學模型。進而考慮NCS的實時性要求，研究基于遺傳算法等進化智能計算方法的NCS分級多目標優化問題的求解方法。

（6）將系統性能的優化映射為較低層次的系統參數優化、網絡參數選取、帶寬資源調度問題，力求達到系統設計與網絡實現的總體性能優化的目標。引入新的、更多的反映系統性能的優化指標，尋求新的融合網絡與控制系統其它結合點將是未來的發展方向。

參考文獻

[1]洪艷偉，賴娟，楊斌.基于EDF算法的可行性判定及實現.計算機技術與發展[J].2006，16(11)：97-102

[2]湯賢銘，錢凱，俞金壽.網絡控制系統動態死區反饋調度.華東理工大學學報[J].2007，33(5)：716-721

[3]張慶靈，邱占芝.網絡控制系統[M].北京市：科學出版社，2007.37-38

[4]文遠保，張炫.單調比率調度算法研究及改進.計算機工程與科學[J].2006，28(10)，68-70

[5]葉明，羅克露，陳慧.單調比率(RM)調度算法及應用.計算機應用[J].2005，25(4)：889-891

[6]LIULuyuan，WANRenjun，LIBing.OnstaticschedulingalgorithmfornetworkedcontrolbasedonTTCANprotocol.ControlandDecision[J].2004，19(7)：814-816

[7]張奇智，曹春生，張衛東.EDF調度方法在交換式工業以太網中的實現.化工自動化及儀表[J].2004，31(6)：41-43

[8]WalshGC，HongYe.Schedulingofnetworkedcontrolsystems.IEEEControlSystemMagazine[J].2001，21(1)：57-65

[9]OtanezP，MoyneJ，TilburyD.Usingdeadbandstoreducecommunicationinnetworkedcontrolsystems[A].TheAmericanAutomaticControlCouncil[C].Anchorage：ProceedingsoftheAmericancontrolconference.2002：615-619

[10]劉懷，費樹岷.基于EDF的分布式控制系統容錯調度算法.軟件學報[J].2003，14(8)1371-1378

[11]張惠娟，周利華.一種基于EDF算法的多處理器實時調度算法.計算機工程與應用[J].2003，30(16)16-17

[12]王智.面向現場總線的分布式實時系統的建模與分析方法[D].博士，中國科學院，2000

[13]白濤.網絡控制系統的性能分析與調度優化[D].碩士，上海交通大學，2005

[14]ARZENKE，CERVINA，EKERJ.Anintroductiontocontrolandschedulingco-design[A].InProceedingsofthe39thIEEEConferenceonDecisionandControl[C]Sydney：2000，4865-4870

[15]EKERJ，HAGANDERP，ARZENKE.Afeedbackschedulerforreal-timecontrollertasks.ControlEngineeringPractice[J].2000，8(12)：1369-1378

[16]KIMYH，PARKHS，KWONWH.Aschedulingmethodfornetworkbasedcontrolsystems[A].InProceedingsofIEEEACC[C].USA，1998：718-722

[17]劉魯源，萬仁君，李斌.基于TTCAN協議的網絡控制系統靜態調度算法的研究.控制與決策[J].2004，19(7)：813-816

[18]STANKOVICJA，LUCY，SONSH，etal.Thecaseforfeedbackcontrolreal-timescheduling[A].InProceedingsofthe11thEuromicroConferenceonReal-TimeSystems[C].NewYork：1999，1：11-20

[19]SETOD，LEHOCZKYJP，SHAL.Taskperiodselectionandschedulabilityinreal-timesystems[A].InProceedingsofthe19thIEEEReal-timeSystemsSymposium[C].Madrid，1998：188-198

[20]CERVINA.Integratedcontrolandreal-timescheduling[D].Ph.D.Dissertation，DepartmentofAutomaticControlLundInstituteofTechnology，2003

[21]RYUM，HONGS.Towardautomaticsynthesisofschedulablereal-timecontrollers.IntegratedComputeraidedEngineering[J].1998，5(3)：261-277

[22]TINDELLK，BUMSA.AnalysisofHardReal-timeCommunication.Real-TimeSystem[J].1995，9(2)：147-173

[23]LEHOCZKYJ，SHAL，DINGY.Theratemonotonicschedulingalgorithm：exactcharacterizationandaveragecasebehavior[A].InProceedingsofIEEEReal-timeSystemsSymposium[C].SantaMonica：1989：166-171

[24]HEJQ，ZHANGHC，JINGYZ.Aintegratedcontrolandschedulingoptimizationmethodofnetworkedcontrolsystems.JournalofElectronicScienceandTechnologyofChina[J].2004，2(2)：56-59

[25]ZHANGW，BRANICKYMS，PHILIPSSM.Stabilityofnetworkedcontrolsystems.IEEEControlMagazine[J].2001，21(1)：84-99

[26]BRANICKYMS，PHILLIPSSM，ZHANGW.Schedulingandfeedbackcodesignfornetworkedcontrolsystems.InProceedingsofIEEEConferenceonDecisionandCoutrol.LasVegas[J].2002：1211-1217

[27]Tabuada，Paulo.Event-TriggeredReal-TimeSchedulingofStabilizingControlTasks.IEEETransactionsonAutomaticControl[J].2007.9(52)：1680-1685

[28]Zhao，Y.B.Integratedpredictivecontrolandschedulingco-designfornetworkedcontrolsystems.ControlTheory&Applications[J].2008，1(2)：7-15