周萍 胥布工 劉貴云

1 引言

在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域中，大部分研究工作都集中于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)如網(wǎng)絡(luò)時延、丟包、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等若干問題的研究。通訊限制是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中的一個重要方面，主要是考慮速率、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議方面的問題，這些問題與網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)包丟失是密切相關(guān)的，并且對整個系統(tǒng)的性能產(chǎn)生重要的影響。雖然以往在通訊限制及速率方面進(jìn)行了諸多相關(guān)研究，但是，對于一些多回路、大信息量、負(fù)載存在不確定性的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，如何利用有限的帶寬得到最優(yōu)化的控制性能，仍是一個重要的研究課題。

目前大多數(shù)的研究結(jié)合了控制效果和共享資源利用情況，綜合設(shè)計網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。雖然這方面已經(jīng)取得了一定的成果，但是它們多數(shù)是針對 CPU負(fù)載變化的情況，缺乏對可變網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的研究[1]。通過改變系統(tǒng)的采樣周期來調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)流量，以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源。它的原理是在網(wǎng)絡(luò)空閑的時候減小節(jié)點(diǎn)的采樣周期，提高系統(tǒng)的QoC；在網(wǎng)絡(luò)資源緊張的時候，增大節(jié)點(diǎn)的采樣周期，減少網(wǎng)絡(luò)流量，以降低傳輸時延帶來的負(fù)面影響。但是，這種方法的缺點(diǎn)是采樣率的改變會在系統(tǒng)中引起抖動，控制算法參數(shù)需要重新整定，耗費(fèi)額外的計算時間。文[2]提出了死區(qū)調(diào)度算法，死區(qū)用于減少網(wǎng)絡(luò)流量，并對 NCS中使用死區(qū)做了初步的探索；文[3]在采用周期為 N的通信序列進(jìn)行調(diào)度時，將n維的控制系統(tǒng)仿射到 (2 N2- N )n的高維空間進(jìn)行分析；文[4]解決了網(wǎng)絡(luò)只存在于控制器和執(zhí)行器之間的控制命令傳送的優(yōu)化調(diào)度算法；而文[5]對于網(wǎng)絡(luò)只存在于傳感器和控制器之間的消息調(diào)度進(jìn)行了分析。

目前，反饋調(diào)度的研究主要集中于CPU資源的利用率和系統(tǒng)性能相關(guān)性，很少涉及分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源分配問題。借助多任務(wù)調(diào)度理論和反饋調(diào)度理論，可有效地分析和研究多控制回路網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度問題。結(jié)合具有多控制回路的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種基于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)度器的設(shè)計方法，根據(jù)系統(tǒng)對控制性能的要求，通過實時調(diào)整各控制回路的采樣周期，實現(xiàn)多控制回路 NCS的系統(tǒng)性能優(yōu)化，并通過一組仿真以驗證。

2 系統(tǒng)描述

資源受限的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度問題就是建立資源分配與控制性能的關(guān)系。研究表明，控制任務(wù)的有效調(diào)度可實現(xiàn)資源的有效分配，從而提高系統(tǒng)資源的利用率，并得到最優(yōu)化的控制性能。

圖1 NCS結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度算法按研究對象可分為CPU調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度兩種類型。常用的實時調(diào)度算法是RM算法和EDF算法。這兩種算法都是調(diào)度周期性任務(wù)，每一個任務(wù)在周期的結(jié)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(dú)立任務(wù)集合的所有截止期。在RM中任務(wù)的優(yōu)先級是動態(tài)的。周期短的任務(wù)具有較高的優(yōu)先級。周期合適的任務(wù)集合的任務(wù)來說，RM的利用率界可達(dá)100%。在EDF中，優(yōu)先級等于截止期，EDF會帶來較大的調(diào)度開銷，但通常利用率可以達(dá)到100%[6]。

3 采樣周期的影響

通常，如果控制器參數(shù)依賴于采樣周期，則控制器應(yīng)根據(jù)當(dāng)前周期實時調(diào)節(jié)其參數(shù)。大量的在線計算將占用太多的系統(tǒng)計算資源，因此應(yīng)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(wǎng)絡(luò)時延，有助于改善控制質(zhì)量。相反，采樣周期越短，總線的利用率越高，各節(jié)點(diǎn)的報文可能被延遲發(fā)送，加大網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)性能，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。通常，通過修改控制器參數(shù)或改變控制策略，可達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定。但在實際條件下，不易實現(xiàn)。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(diào)度使系統(tǒng)的整體控制性能達(dá)到最優(yōu)。雖然采樣周期加大，會影響單個控制回路的性能，但適當(dāng)?shù)牟蓸又芷谒惴▽⑹苟嗫刂苹芈返南到y(tǒng)具有可調(diào)度性，這對于有限資源的利用具有重要意義。

4 調(diào)度器架構(gòu)

采用動態(tài)調(diào)度器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，在常規(guī)NCS結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加一個外環(huán)反饋回路。采用網(wǎng)絡(luò)為 CAN網(wǎng)，S1、S2、S3為傳感器節(jié)點(diǎn)，C1、C2、C3為控制器節(jié)點(diǎn)，A1、A2、A3為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，P1、P2、P3為控制對象。

假設(shè)系統(tǒng)中所有傳感器采用時間驅(qū)動方式，控制器采用事件驅(qū)動方式。當(dāng)采樣周期到來時，傳感器節(jié)點(diǎn)對物理對象進(jìn)行采樣，獲取信息，然后將信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制器節(jié)點(diǎn)；根據(jù)收到的信息，控制器通過相應(yīng)的控制算法計算控制信號，并發(fā)送到總線上。調(diào)度器通過廣播報文發(fā)出請求信息以獲取當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，分析系統(tǒng)運(yùn)行情況，計算新的采樣周期，制定相應(yīng)的決策，為各個控制回路提供調(diào)度信息。調(diào)度信息采用廣播報文發(fā)送，各傳感器根據(jù)調(diào)度信息調(diào)整采樣周期。

圖2 動態(tài)調(diào)度器模塊

動態(tài)調(diào)度器按照功用可以分為三個部分：網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測模塊、采樣周期計算模塊和優(yōu)先級調(diào)度模塊，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測模塊等間隔向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送采集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的請求信息，用于獲取當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)利用獲得的信息，計算當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和控制誤差，計算綜合誤差kE。調(diào)度算法實現(xiàn)模塊主要執(zhí)行調(diào)度算法，確定各控制系統(tǒng)新的采樣周期。算法實現(xiàn)模塊主要由兩部分：預(yù)測算法和采樣周期調(diào)節(jié)算法。預(yù)測算法預(yù)估新的監(jiān)測器周期內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)利用率和數(shù)據(jù)包執(zhí)行時間；采樣周期調(diào)節(jié)算法基于網(wǎng)絡(luò)利用率和數(shù)據(jù)包執(zhí)行時間的估計值以及當(dāng)前的綜合誤差，分配網(wǎng)絡(luò)資源，計算新的采樣周期其中，i為系統(tǒng)標(biāo)識，k為檢測周期標(biāo)識，是第k個檢測周期第i個系統(tǒng)的采樣周期，是第k個檢測周期第i個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包傳輸時間，包括數(shù)據(jù)包從傳感器到控制器的數(shù)據(jù)傳輸時間和數(shù)據(jù)包從控制器到執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸時間為第k個檢測周期第i個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)使用率，且為第k個檢測周期第i個系統(tǒng)的誤差。

5 仿真結(jié)果分析

使用Truetime1.5進(jìn)行仿真?？刂茖ο蟛捎弥绷麟姍C(jī)模型為：

通過CAN網(wǎng)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(zhí)行器之間均通過網(wǎng)絡(luò)連接。假設(shè)控制器結(jié)構(gòu)相同，并且控制器和執(zhí)行器均為事件驅(qū)動方式，傳感器時間驅(qū)動方式。采用現(xiàn)有調(diào)度算法固定優(yōu)先級調(diào)度方法，系統(tǒng)響應(yīng)狀態(tài)如圖 3所示。

采用基于網(wǎng)絡(luò)控制狀態(tài)的采樣周期動態(tài)調(diào)度策略的調(diào)度算法的系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)如圖4所示。

由圖3和圖4比較可知，調(diào)度后的系統(tǒng)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(tǒng)的影響。

圖3 三個控制回路的輸出響應(yīng)

圖4 采用動態(tài)調(diào)度策略的NCS的輸出響應(yīng)

6 結(jié)束語

仿真結(jié)果驗證了本文所提出的調(diào)度器對資源受限的多控制回路的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的資源進(jìn)行了有效的調(diào)度，提高了資源的利用率。

[1] 夏鋒,尹紅霞,王智等.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的實時調(diào)度理論與應(yīng)用[A].第 17屆中國控制與決策會議論文集 [C].沈陽:東北大學(xué)出版社,2005. 1251-1256

[2] Otanez P G, Moyne J R, Tilbury D M. Using deadbands to reduce communication in networked control systems [A].Proceedings of the American Control Conference [C],Piscataway, NJ, USA:IEEE,2002.3015-3020

[3] HRISTU D, MORGANSEN K. Limited communication control [J].Systems & Control Letters, 1999, 37(4): 193-205

[4] REHBINDER H, SANFRIDSON M. Scheduling of a limited communication channel for optimal control [J]. Automatic,2004, 40(3):491-500

[5] LU L, XIE L, FU M. Optimal control of networked systems with limited communication: a combined heuristic and convex optimization approach [C] //Proceeding of the 42ndIEEE Conference on Decision and Control. Hawaii. USA: IEEE Press. 2003. 2: 1194-1199

[6] 王俊波.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性與調(diào)度研究[D].廣州:華南理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2007