基于傳感器和控制器節點(diǎn)的NCS死區調度研究論文
1緒論
1.1研究的背景和意義
計算機、通信、控制、傳感器等技術(shù)的不斷發(fā)展促使傳統控制系統的結構和信息傳輸模式發(fā)生了巨大的變化。傳統控制系統中，在空間上分散的傳感器、控制器和執行器通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)彼此連接并發(fā)送信息，系統采用點(diǎn)對點(diǎn)的信息傳輸模式。當控制系統結構日益復雜、功能不斷擴展時(shí)，專(zhuān)線(xiàn)連接的方式將會(huì )使控制系統的布線(xiàn)變得十分復雜，不僅增加了布線(xiàn)成本和維護成本，而且降低了整個(gè)控制系統的靈活性、可靠性和抗干擾能力。傳統的信息傳輸模式己經(jīng)不能滿(mǎn)足信息的傳輸要求了。
網(wǎng)絡(luò )控制系統(Networked Control Systems, NCS)指在傳感器、控制器與執行器之間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信的分布式控制系統(杜鋒等，2010)。在NCS中，被控對象與系統中各節點(diǎn)(傳感器、控制器、執行器)通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接并進(jìn)行信息傳輸。
NCS具有資源共享、布線(xiàn)簡(jiǎn)單、易于擴展和維護等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛應用于航空航天、機器人控制、衛星控制等復雜控制系統。盡管與傳統控制系統相比，NCS具有許多的優(yōu)點(diǎn)，但是隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )的引入，不可避免的給NCS的研究帶來(lái)了許多的挑戰。在NCS中，所有節點(diǎn)共享同一通信網(wǎng)絡(luò )，各節點(diǎn)必須通過(guò)競爭獲得網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)權才能向其他節點(diǎn)發(fā)送數據。因此，在網(wǎng)絡(luò )帶寬資源不足的情況下，NCS的調度研究顯得尤為重要。
1.2 NCS調度研究現狀
目前，網(wǎng)絡(luò )調度己經(jīng)成為當前NCS研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，它的主要研究?jì)热菔侨绾卧诰W(wǎng)絡(luò )帶寬資源受限時(shí)，設計合理的網(wǎng)絡(luò )調度方案以滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求。下面對NCS調度的研究現狀進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。
1.2.1基于實(shí)時(shí)調度的方法
文獻(Liuetal.，1973)針對一組相互獨立的實(shí)時(shí)周期任務(wù)提出了兩種最優(yōu)調度算法——單調速率算法(RM, RateMonotonic)和最早截止時(shí)間優(yōu)先算法(EDF，EarliestDeadline Hrst)。RM調度算法根據任務(wù)的各項任務(wù)的jS]期進(jìn)行優(yōu)先級的分配，即任務(wù)周期越小(大)，優(yōu)先級越高(低)，且各項任務(wù)的優(yōu)先級在調度過(guò)程中不變。
EDF調度算法則根據各項任務(wù)距離截止時(shí)間的大小來(lái)確定優(yōu)先級，即距離截止時(shí)間越小(大)，優(yōu)先級越高(低)，且當有新的任務(wù)處于就緒狀態(tài)時(shí)，各項任務(wù)的優(yōu)先級必須重新計算。文獻(趙維檢等，2010)對RM調度算法和EDF調度算法在NCS中應用的可行性進(jìn)行了討論，并對這兩類(lèi)調度算法在NCS中的調度優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了仿真研究。文獻(Zhang etal.，2001)將RM調度算法應用到NCS當中，并針對Liu提出的可搶占的RM調度算法提出了更適合NCS的不可搶占的RM調度算法。文獻(劉K英等，2013)在對車(chē)身NCS的特點(diǎn)進(jìn)行分析后，將RM調度算法應用于車(chē)身NCS屮，并進(jìn)行可調度性分析。
文獻(史停娜等，2011)在經(jīng)典EDF的基礎上引入模糊調度算法，提出了靜態(tài)的擴展EDF模糊調度算法，解決了經(jīng)典調度算法不能確定模糊時(shí)間優(yōu)先級的問(wèn)題。文獻(梅智慧等，2014)結合了圖論思想和EDF調度算法的優(yōu)點(diǎn)對系統的帶寬分配進(jìn)行了優(yōu)化，存效的降低了動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境中的時(shí)延和數據流量。
2 NCS基礎知識介紹
2.1NGS的結構
NCS的典型結構如圖1所示。由圖1可知，NCS由被控對象、傳感器、控制器、執行器以及通信網(wǎng)絡(luò )組成。在NCS中，傳感器向控制器和控制器向執行器的數據傳輸都是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )完成。由于多個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)共用同一網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸，數據傳輸過(guò)程不可避免的存在網(wǎng)絡(luò )時(shí)延。其中，rse表示傳感器向控制器傳輸數據時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延，r"表示控制器向執行器傳輸數據時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延。
2.2 NCS研究的基本問(wèn)題
如圖1所示，NCS由被控對象、傳感器、控制器、執行器以及通信網(wǎng)絡(luò )所組成。NCS在傳統控制系統的基礎上引入了通信網(wǎng)絡(luò )，使得其研究變得更為復雜。由于網(wǎng)絡(luò )的存在，NCS中不可避免的存在以下基本問(wèn)題(杜鋒等，2012):
2.2. 1通信協(xié)議
通信協(xié)議是NCS在網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行數據傳輸的基礎，決定了 NCS的所具有的網(wǎng)絡(luò )特性，如網(wǎng)絡(luò )時(shí)延特性、各節點(diǎn)傳輸信號優(yōu)先級特性等。這些特性對NCS的控制性能有著(zhù)重要的影響。所以，在NCS的實(shí)現中必須了解這些網(wǎng)絡(luò )的具體特征，才能使所設計的控制算法更好的滿(mǎn)足系統的性能要求。在NCS中，常用的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議包括兩類(lèi)，即隨機訪(fǎng)問(wèn)和輪詢(xún)服務(wù)。在隨機訪(fǎng)問(wèn)的網(wǎng)絡(luò )中，主要包括以太網(wǎng)(CSMA/CD)和CAN總線(xiàn)(CSMA/AMP)，其中CAN總線(xiàn)是具有優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò )。
在輪詢(xún)服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )中，NCS通過(guò)傳遞令牌的方式實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中各節點(diǎn)的信息傳如令牌總線(xiàn)和令牌環(huán)。節點(diǎn)驅動(dòng)方式是指NCS中各節點(diǎn)的工作方式，主要包括時(shí)間驅動(dòng)和事件驅動(dòng)。時(shí)間驅動(dòng)是采用該工作方式的節點(diǎn)定期完成所設定的任務(wù)。
事件驅動(dòng)是指采用該工作方式的節點(diǎn)被特定的事件(如接收到數據包等)觸發(fā)后便立即執行所設定的任務(wù)。在NCS中，根據各節點(diǎn)工作特點(diǎn)對其設置相應驅動(dòng)方式。傳感器需要周期性的進(jìn)行采樣，一般采用時(shí)間驅動(dòng);控制器和執行器在接收到有效信息后需要進(jìn)行相應處理，一般采用事件驅動(dòng)(王巖等，2009)。
3基于死區調度的NCS.........10
3.1多個(gè)回路共享同一網(wǎng)絡(luò )的NCS.........10
3. 2 NCS中的死區調度.........10
3.3死區調度研究的不足.........11
3.4新的死區調度方法.........11
3.5釆用方法1的死區調度方法.........12
3. 6釆用方法2的死區調度方法.........14
3.7基于死區調度的NCS流程.........14
3.8新的死區調度方法的特點(diǎn).........15
3.9本章小結.........16
4死區調度方法仿真研究.........17
4.1仿真軟件介紹.........17
4.2仿真參數設置.........17
4. 3未采用死區調度.........18
4. 4采用方法1的死區調度.........22
4.5采用方法2的死區調度.........29
4.7本章小結.........37
5死區調度方法性能研究.........38
5.1網(wǎng)絡(luò )丟包.........38
5.2階躍干擾.........40
5.3本章小結.........42
5死區調
度方法性能
研究死區調度方法的仿真結架表明，在網(wǎng)絡(luò )帶寬資源不足時(shí)，本文提出的兩種死區調度方法能夠有效性提升系統的控制性能質(zhì)量。為進(jìn)一步分析兩種死區調度方法的控制效果，本章將在不同的仿真環(huán)境下對其進(jìn)行研究。
5.1網(wǎng)絡(luò )丟包
當NCS存在數據丟包時(shí)，由于某些數據包不能到達目標節點(diǎn)(如控制器、執行器等)，將導致各節點(diǎn)接收到的存效信息減少，進(jìn)而影響NCS的控制效果。為了驗證本文所提出的兩種死區調度方式是否能夠在系統存在丟包的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下保持良好的控制效果，本節對存在數據丟包的NCS進(jìn)行研究。
從圖42至圖44可知，NCS中的各控制回路具有良好的控制性能。雖然在參考信號出現階躍時(shí)，各控制回路存在超調量和時(shí)延等情況，但各控制回路系統輸出仍能夠較好的跟蹤參考信號。與未采用死區調度時(shí)(圖6至圖8)相比，NCS的控制性能顯著(zhù)提升。
總結
在網(wǎng)絡(luò )帶寬資源受限的情況下，設計合理的調度策略能夠減少NCS中的網(wǎng)絡(luò )沖突，改善網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量，進(jìn)一步提高NCS的綜合應用性能。因此，本文設計了兩種死區調度方法對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行調度。以下是本文的主要工作和成果：
1.簡(jiǎn)述了NCS的基本概念及存在的問(wèn)題。從網(wǎng)絡(luò )調度的角度出發(fā)，對NCS調度方法進(jìn)行了綜述，并指出各種調度方法的特點(diǎn)。
2.介紹了NCS中死區調度的概念，根據現有死區調度方法所存在的不足，提出了兩種死K調度方法，并分析了其特點(diǎn)。
3.通過(guò)truetime-1.5仿真驗證了兩種死區調度方法的可行性。從系統輸出響應、網(wǎng)絡(luò )時(shí)延、網(wǎng)絡(luò )調度、網(wǎng)絡(luò )數據包流量等方面說(shuō)明了兩種死區調度方法能夠有效的緩解網(wǎng)絡(luò )沖突、降低網(wǎng)絡(luò )時(shí)延、提高系統的控制性能。通過(guò)對死區調度方法進(jìn)行對比分析，說(shuō)明了本文所提出的兩種死區調度方法的有效性。
4.分別在存在網(wǎng)絡(luò )丟包和階躍干擾的環(huán)境下，對兩種死區調度方法進(jìn)行了研究。仿真結果表明，各控制回路能夠快速的跟蹤參考輸入信號，保持良好的控制性能。
參考文獻(略)
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