基于传感器和控制器节点的NCS死区调度研究

1绪论

1.1研究的背景和意义
计算机、通信、控制、传感器等技术的不断发展促使传统控制系统的结构和信息传输模式发生了巨大的变化。传统控制系统中，在空间上分散的传感器、控制器和执行器通过专线彼此连接并发送信息，系统采用点对点的信息传输模式。当控制系统结构日益复杂、功能不断扩展时，专线连接的方式将会使控制系统的布线变得十分复杂，不仅增加了布线成本和维护成本，而且降低了整个控制系统的灵活性、可靠性和抗干扰能力。传统的信息传输模式己经不能满足信息的传输要求了。网络控制系统(Networked Control Systems, NCS)指在传感器、控制器与执行器之间，通过网络进行通信的分布式控制系统（杜锋等，2010)。在NCS中，被控对象与系统中各节点（传感器、控制器、执行器）通过网络进行连接并进行信息传输。NCS具有资源共享、布线简单、易于扩展和维护等优点，己被广泛应用于航空航天、机器人控制、卫星控制等复杂控制系统。尽管与传统控制系统相比，NCS具有许多的优点，但是随着网络的引入，不可避免的给NCS的研究带来了许多的挑战。在NCS中，所有节点共享同一通信网络，各节点必须通过竞争获得网络访问权才能向其他节点发送数据。因此，在网络带宽资源不足的情况下，NCS的调度研究显得尤为重要。
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1.2 NCS调度研究现状
目前，网络调度己经成为当前NCS研究的热点问题，它的主要研究内容是如何在网络带宽资源受限时，设计合理的网络调度方案以满足系统的实时性要求。下面对NCS调度的研究现状进行简单的介绍。

1.2.1基于实时调度的方法
文献（Liuetal.，1973)针对一组相互独立的实时周期任务提出了两种最优调度算法——单调速率算法(RM, RateMonotonic)和最早截止时间优先算法(EDF，EarliestDeadline Hrst)。RM调度算法根据任务的各项任务的jS]期进行优先级的分配，即任务周期越小（大），优先级越高（低），且各项任务的优先级在调度过程中不变。EDF调度算法则根据各项任务距离截止时间的大小来确定优先级，即距离截止时间越小(大)，优先级越高（低），且当有新的任务处于就绪状态时，各项任务的优先级必须重新计算。文献（赵维检等，2010)对RM调度算法和EDF调度算法在NCS中应用的可行性进行了讨论，并对这两类调度算法在NCS中的调度优化问题进行了仿真研究。文献（Zhang etal.，2001)将RM调度算法应用到NCS当中，并针对Liu提出的可抢占的RM调度算法提出了更适合NCS的不可抢占的RM调度算法。文献（刘K英等，2013)在对车身NCS的特点进行分析后，将RM调度算法应用于车身NCS屮，并进行可调度性分析。文献（史停娜等，2011)在经典EDF的基础上引入模糊调度算法，提出了静态的扩展EDF模糊调度算法，解决了经典调度算法不能确定模糊时间优先级的问题。文献（梅智慧等，2014)结合了图论思想和EDF调度算法的优点对系统的带宽分配进行了优化，存效的降低了动态网络环境中的时延和数据流量。
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2 NCS基础知识介绍

2.1NGS的结构
NCS的典型结构如图1所示。由图1可知，NCS由被控对象、传感器、控制器、执行器以及通信网络组成。在NCS中，传感器向控制器和控制器向执行器的数据传输都是通过网络完成。由于多个网络节点共用同一网络进行数据传输，数据传输过程不可避免的存在网络时延。其中，rse表示传感器向控制器传输数据时产生的时延，r"表示控制器向执行器传输数据时产生的时延。
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2.2 NCS研究的基本问题
如图1所示，NCS由被控对象、传感器、控制器、执行器以及通信网络所组成。NCS在传统控制系统的基础上引入了通信网络，使得其研究变得更为复杂。由于网络的存在，NCS中不可避免的存在以下基本问题（杜锋等，2012):

2.2. 1通信协议
通信协议是NCS在网络中进行数据传输的基础，决定了 NCS的所具有的网络特性，如网络时延特性、各节点传输信号优先级特性等。这些特性对NCS的控制性能有着重要的影响。所以，在NCS的实现中必须了解这些网络的具体特征，才能使所设计的控制算法更好的满足系统的性能要求。在NCS中，常用的网络协议包括两类，即随机访问和轮询服务。在随机访问的网络中，主要包括以太网（CSMA/CD)和CAN总线（CSMA/AMP)，其中CAN总线是具有优先级的网络。在轮询服务的网络中，NCS通过传递令牌的方式实现网络中各节点的信息传如令牌总线和令牌环。节点驱动方式是指NCS中各节点的工作方式，主要包括时间驱动和事件驱动。时间驱动是采用该工作方式的节点定期完成所设定的任务。事件驱动是指采用该工作方式的节点被特定的事件（如接收到数据包等）触发后便立即执行所设定的任务。在NCS中，根据各节点工作特点对其设置相应驱动方式。传感器需要周期性的进行采样，一般采用时间驱动；控制器和执行器在接收到有效信息后需要进行相应处理，一般采用事件驱动（王岩等，2009)。
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3基于死区调度的NCS.........10
3.1多个回路共享同一网络的NCS.........10
3. 2 NCS中的死区调度.........10
3.3死区调度研究的不足.........11
3.4新的死区调度方法.........11
3.5釆用方法1的死区调度方法.........12
3. 6釆用方法2的死区调度方法.........14
3.7基于死区调度的NCS流程.........14
3.8新的死区调度方法的特点.........15
3.9本章小结.........16
4死区调度方法仿真研究.........17
4.1仿真软件介绍.........17
4.2仿真参数设置.........17
4. 3未采用死区调度.........18
4. 4采用方法1的死区调度.........22
4.5采用方法2的死区调度.........29
4.7本章小结.........37
5死区调度方法性能研究.........38
5.1网络丢包.........38
5.2阶跃干扰.........40
5.3本章小结.........42

5死区调度方法性能

研究死区调度方法的仿真结架表明，在网络带宽资源不足时，本文提出的两种死区调度方法能够有效性提升系统的控制性能质量。为进一步分析两种死区调度方法的控制效果，本章将在不同的仿真环境下对其进行研究。

5.1网络丟包
当NCS存在数据丢包时，由于某些数据包不能到达目标节点（如控制器、执行器等），将导致各节点接收到的存效信息减少，，进而影响NCS的控制效果。为了验证本文所提出的两种死区调度方式是否能够在系统存在丢包的网络环境下保持良好的控制效果，本节对存在数据丢包的NCS进行研究。从图42至图44可知，NCS中的各控制回路具有良好的控制性能。虽然在参考信号出现阶跃时，各控制回路存在超调量和时延等情况，但各控制回路系统输出仍能够较好的跟踪参考信号。与未采用死区调度时（图6至图8)相比，NCS的控制性能显著提升。

总结

在网络带宽资源受限的情况下，设计合理的调度策略能够减少NCS中的网络冲突，改善网络的服务质量，进一步提高NCS的综合应用性能。因此，本文设计了两种死区调度方法对网络进行调度。以下是本文的主要工作和成果：
1.简述了NCS的基本概念及存在的问题。从网络调度的角度出发，对NCS调度方法进行了综述，并指出各种调度方法的特点。
2.介绍了NCS中死区调度的概念，根据现有死区调度方法所存在的不足，提出了两种死K调度方法，并分析了其特点。
3.通过truetime-1.5仿真验证了两种死区调度方法的可行性。从系统输出响应、网络时延、网络调度、网络数据包流量等方面说明了两种死区调度方法能够有效的缓解网络冲突、降低网络时延、提高系统的控制性能。通过对死区调度方法进行对比分析，说明了本文所提出的两种死区调度方法的有效性。
4.分别在存在网络丢包和阶跃干扰的环境下，对两种死区调度方法进行了研究。仿真结果表明，各控制回路能够快速的跟踪参考输入信号，保持良好的控制性能。
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参考文献（略）