多回路網絡控制系統中調度與控制的協同設計方法

周萍 胥布工 劉貴云

1 引言

在網絡化控制系統領域中，大部分研究工作都集中于網絡控制系統如網絡時延、丟包、網絡協議、網絡結構等若干問題的研究。通訊限制是網絡控制系統研究中的一個重要方面，主要是考慮速率、網絡調度、網絡協議方面的問題，這些問題與網絡時延、數據包丟失是密切相關的，并且對整個系統的性能產生重要的影響。雖然以往在通訊限制及速率方面進行了諸多相關研究，但是，對于一些多回路、大信息量、負載存在不確定性的網絡控制系統，如何利用有限的帶寬得到最優化的控制性能，仍是一個重要的研究課題。

目前大多數的研究結合了控制效果和共享資源利用情況，綜合設計網絡控制系統。雖然這方面已經取得了一定的成果，但是它們多數是針對 CPU負載變化的情況，缺乏對可變網絡負載的研究[1]。通過改變系統的采樣周期來調節網絡上的數據流量，以節省網絡資源。它的原理是在網絡空閑的時候減小節點的采樣周期，提高系統的QoC；在網絡資源緊張的時候，增大節點的采樣周期，減少網絡流量，以降低傳輸時延帶來的負面影響。但是，這種方法的缺點是采樣率的改變會在系統中引起抖動，控制算法參數需要重新整定，耗費額外的計算時間。文[2]提出了死區調度算法，死區用于減少網絡流量，并對 NCS中使用死區做了初步的探索；文[3]在采用周期為 N的通信序列進行調度時，將n維的控制系統仿射到 (2 N2- N )n的高維空間進行分析；文[4]解決了網絡只存在于控制器和執行器之間的控制命令傳送的優化調度算法；而文[5]對于網絡只存在于傳感器和控制器之間的消息調度進行了分析。

目前，反饋調度的研究主要集中于CPU資源的利用率和系統性能相關性，很少涉及分布式網絡控制系統的網絡資源分配問題。借助多任務調度理論和反饋調度理論，可有效地分析和研究多控制回路網絡控制系統的調度問題。結合具有多控制回路的網絡控制系統框架結構，設計一種基于網絡運行狀態的調度器的設計方法，根據系統對控制性能的要求，通過實時調整各控制回路的采樣周期，實現多控制回路 NCS的系統性能優化，并通過一組仿真以驗證。

2 系統描述

資源受限的網絡控制系統調度問題就是建立資源分配與控制性能的關系。研究表明，控制任務的有效調度可實現資源的有效分配，從而提高系統資源的利用率，并得到最優化的控制性能。

圖1 NCS結構圖

網絡控制系統的調度算法按研究對象可分為CPU調度和網絡調度兩種類型。常用的實時調度算法是RM算法和EDF算法。這兩種算法都是調度周期性任務，每一個任務在周期的結束后都有一個截止期。在總利用率小于某個值時，RM和EDF都將保證滿足單一處理器上所有獨立任務集合的所有截止期。在RM中任務的優先級是動態的。周期短的任務具有較高的優先級。周期合適的任務集合的任務來說，RM的利用率界可達100%。在EDF中，優先級等于截止期，EDF會帶來較大的調度開銷，但通常利用率可以達到100%[6]。

3 采樣周期的影響

通常，如果控制器參數依賴于采樣周期，則控制器應根據當前周期實時調節其參數。大量的在線計算將占用太多的系統計算資源，因此應盡可能地減少采樣周期算法的計算量。

采樣周期直接影響總線利用率，采樣周期越長，總線利用率越低。相對而言，減少了總線上報文的沖突，從而減小了報文的等待時延，將避免較大的網絡時延，有助于改善控制質量。相反，采樣周期越短，總線的利用率越高，各節點的報文可能被延遲發送，加大網絡時延，從而影響控制性能。

對于每個回路而言，采樣周期都會影響系統性能，甚至造成系統的不穩定現象。通常，通過修改控制器參數或改變控制策略，可達到系統穩定。但在實際條件下，不易實現。從資源使用的角度來看，期望各回路占用較少的資源，并通過對傳輸信息的調度使系統的整體控制性能達到最優。雖然采樣周期加大，會影響單個控制回路的性能，但適當的采樣周期算法將使多控制回路的系統具有可調度性，這對于有限資源的利用具有重要意義。

4 調度器架構

采用動態調度器的網絡控制系統結構圖如圖1所示，在常規NCS結構的基礎上，增加一個外環反饋回路。采用網絡為 CAN網，S1、S2、S3為傳感器節點，C1、C2、C3為控制器節點，A1、A2、A3為執行器節點，P1、P2、P3為控制對象。

假設系統中所有傳感器采用時間驅動方式，控制器采用事件驅動方式。當采樣周期到來時，傳感器節點對物理對象進行采樣，獲取信息，然后將信息通過網絡發送到控制器節點；根據收到的信息，控制器通過相應的控制算法計算控制信號，并發送到總線上。調度器通過廣播報文發出請求信息以獲取當前的網絡狀態，分析系統運行情況，計算新的采樣周期，制定相應的決策，為各個控制回路提供調度信息。調度信息采用廣播報文發送，各傳感器根據調度信息調整采樣周期。

圖2 動態調度器模塊

動態調度器按照功用可以分為三個部分：網絡狀態監測模塊、采樣周期計算模塊和優先級調度模塊，其結構如圖2所示。網絡狀態監測模塊等間隔向網絡發送采集網絡狀態的請求信息，用于獲取當前的網絡狀態利用獲得的信息，計算當前的網絡狀態和控制誤差，計算綜合誤差kE。調度算法實現模塊主要執行調度算法，確定各控制系統新的采樣周期。算法實現模塊主要由兩部分：預測算法和采樣周期調節算法。預測算法預估新的監測器周期內的網絡利用率和數據包執行時間；采樣周期調節算法基于網絡利用率和數據包執行時間的估計值以及當前的綜合誤差，分配網絡資源，計算新的采樣周期其中，i為系統標識，k為檢測周期標識，是第k個檢測周期第i個系統的采樣周期，是第k個檢測周期第i個系統的數據包傳輸時間，包括數據包從傳感器到控制器的數據傳輸時間和數據包從控制器到執行器的數據傳輸時間為第k個檢測周期第i個系統的網絡使用率，且為第k個檢測周期第i個系統的誤差。

5 仿真結果分析

使用Truetime1.5進行仿真?？刂茖ο蟛捎弥绷麟姍C模型為：

通過CAN網分別與兩個PD控制器相連，傳感器與控制器以及控制器與執行器之間均通過網絡連接。假設控制器結構相同，并且控制器和執行器均為事件驅動方式，傳感器時間驅動方式。采用現有調度算法固定優先級調度方法，系統響應狀態如圖 3所示。

采用基于網絡控制狀態的采樣周期動態調度策略的調度算法的系統狀態響應如圖4所示。

由圖3和圖4比較可知，調度后的系統控制性能比之前的控制性能有了改善。注意，本文并沒有考慮實際總線對系統的影響。

圖3 三個控制回路的輸出響應

圖4 采用動態調度策略的NCS的輸出響應

6 結束語

仿真結果驗證了本文所提出的調度器對資源受限的多控制回路的網絡控制系統的資源進行了有效的調度，提高了資源的利用率。

[1] 夏鋒,尹紅霞,王智等.網絡化控制系統中的實時調度理論與應用[A].第 17屆中國控制與決策會議論文集 [C].沈陽:東北大學出版社,2005. 1251-1256

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[6] 王俊波.網絡控制系統的實時性與調度研究[D].廣州:華南理工大學博士學位論文,2007