基于调度的网络化控制系统

基于调度的网络化控制系统摘要:网络化控制系统NCSs(NetworkedControlSystems)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:网络化控制系统；网络时延；调度NetworkedControlSystemsbasedonScheduling)Abstract:TheNCSs(NetworkedControlSystems)isanetwork-baseddistributedcontrolsystemwithstrongreal-timeperformance.Inthispaper,thecharacteristicsoftheNCSsareintroducedandtherelationshipbetweenthenetwork-induceddelayandthecontrolsystemperformanceisdiscussed.Recentnetworkedcontroltechniquesandstrategiesarepresentedandtheirstate-of-artsarediscussedseparately.Keywords:networkedcontrolsystems;network-induceddelay;scheduling1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1NCSs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控制系统中时延的位置分布如图2所示。传感器控制器执行器控制对象sccac网络sc图2NCSs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ssckkkckcaakk，其中k代表第k个采样时刻。计算时延(,,)scakkk取决于节点负荷、调度等，它们与sck和cak相比，数值和变化都很小。通常，(,)sakk可忽略不计，而ck可包括在cak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sccakkk。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。11(21)niiiiCUiT1in，1......inTTT（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iiBT，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...sssmppp（2）非周期性任务在当前时间t总的处理机时间需求：.1iisjtjvtc其中.sjtc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。参考文献[1]GregoryC.Walsh,HongYe,andLindaG.Bushnell.StabilityAnalysisofNetworkedControlSystems[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2002,10(3).[2]W.Zhang.StabilityAnalysisofNetworkedControlSystems[D].Ph.D.Thesis,ElectricalEngineeringandComputerScience,CaseWesternReserveU.,May2001.[3]MichaelS.Branicky,StephenM.Phillips,WeiZhang.SchedulingandFeedbackCo-DesignforNetworkedControlSystems[C].IEEEConf.onDecisionandControl,LasVegas,2002.December,10-13.[4]HaleviY,RayA.Integratedcommunicationandcontrolsystem:PartⅠ--Analysis[J].ASMEJournalofDynamicSystems,MeasurementandControl,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.(GUHongjun,ZHANGZuo,WUQiufeng.Themechanismdescriptionmodelofnetworkedcontrolsystems[J].ControlandDecision,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]NilssonJ.Real--timecontrolsystemswithdelays[D].Sweden:LundInstituteofTechnology,1998.[8]LincolnB,BernhardssonB.Optimalcontrolovernetworkswithlongrandomdelays[A].ProceedingsoftheFourteenthInternationalSymposiumonMathematicalTheoryofNetworksandSystems[C].France:UniversityofPerpignan,2000.1-7.[9]ZhangW.BranickyM.S.andPhollipsS.M.Stabilityofnetworkedcontrolsystems[J].IEEEControlSystemsMagazine,2001,21:84-99.[10]C.R.Houck,J.JoinesandM.Kay.Ageneticalgorithmforfunctionoptimization:AMatlabimplementation[M].ACMTransactionsonMathematicalSoftware,1996.[11]LiuC.L,LaylandJ.W.Schedulingalgorithmsformultiprogramminginhardreal-timeenvironment[J].JofAssociationforComputingMachinery,1973,20(1):46-61.[12]ChettoH,ChettoM.Someresultsoftheearliestdeadl