淺議網絡控制系統中的信息調度

中圖分類號：G4 文獻標識碼：A 文章編號：1008—925X（2012）10—0278—01

摘要：網絡控制系統（Networked Control Systems）是基于網絡的分布式控制系統，具有較強的實時性。本文系統地闡述了網絡控制系統的產生、發展，分析了網絡控制系統中的信息特性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及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

一、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。

二、網絡控制系統的特性

NCS相對于傳統的點對點控制方式具有很大的優勢和長處，但網絡本身的特性也給網絡控制系統帶來了新的問題。首先，控制系統中不同的組件對有限的網絡資源（例如網絡寬帶等）的爭用就是影響網絡控制系統信號延遲和扭曲的主要原因，大量的文章說明網絡延遲一直是影響網絡控制系統環路性能和穩定性的主要因素。

三、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。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。

四、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。

4.1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。

4.1.1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。

4.1.2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。

4.1.3混合調度

4.2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。

4.2.1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。

2）調度優化

4.2.2？反饋控制實時調度

開環調度算法在負載能精確建模的動態或靜態系統中可以取得很好的效果，可是在不可測的動態系統中，算法的有效性要極大地降低。近幾年來，“閉環”調度由于可以應用于很多實時領域因而引起了很多人的關注。

五、進一步可研究的參考方向

當前，NCS信息調度的研究已經取得了很多有益的成果。然而，NCS應用的復雜化以及NCS控制與調度的協調設計趨勢，使得現有的信息調度方法已不能滿足發展的需求。因此，給出信息調度的進一步研究問題和研究目標，以供參考。

（1）網絡控制的復雜化和網絡運行狀況的多變性，需要智能化強、實時性好的在線調度算法。

（2）現有的研究結果大多限于單控制回路，對共享網絡的多個控制回路的優化調度等問題需要進一步的研究。

（3）有帶寬約束的變速率網絡化控制系統的信息調度問題。

（4）不同數據流分配不同比例帶寬，用來提高高優先級別數據流的服務質量，避免低優先級別的數據流由于網絡超時而斷開的研究。

（5）研究NCS多目標優化問題的提取和求解。

（6）引入新的、更多的反映系統性能的優化指標，尋求新的融合網絡與控制系統其它結合點將是未來的發展方向。

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