電子工程師論文征稿網絡控制系統調度

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　　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(Network Control System，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。

　　2 　NCS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常苛刻，如果在規定時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 (Rate Monotonic Scheduling Model) 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(Hard Real-time Communication Scheduler，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(Deadline Monotonic Scheduling Model )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(Earliest deadline first scheduling)，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(Least laxity first)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(most error first-try once discard)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(Dynamic Time Window)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(token passing system) 和輪詢系統(polling system) 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。

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