網絡控制系統改進EDF調度策略研究

蔣凱 田中大

摘要：針對網絡中傳輸任務動態變化的屬性，對傳統的最早截止期優先（EDF）調度策略進行優化，以任務變化的周期和執行時間為基準提出改進的EDF精確化調度策略。從可調度條件出發，利用任務的執行時間和周期的分布函數，結合精確化處理方法，對變化的時間進行合理的取值，從而得到精確的時間屬性值并以此進行任務傳輸?？朔藗鹘y調度策略中優先級混亂導致傳輸性能下降的缺陷，且繼承了傳統策略的資源利用率高的優點。通過仿真證明改進的EDF調度策略有效提高了網絡控制系統的調度性能。

關鍵詞：網絡控制系統;EDF;動態變化;精確化;調度

中圖分類號：TP273? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0007-04

Abstract：In view of the dynamic changes of transmission tasks in the network， the traditional earliest deadline priority （EDF） scheduling strategy is optimized， and an improved EDF precision scheduling strategy is proposed based on the cycle and execution time of task changes.Starting from schedulable conditions， using the distribution function of task execution time and period， combined with precision processing methods， the changing time is reasonably valued， so that the accurate time attribute value is obtained and the task transmission is carried out.It overcomes the defect of reduced transmission performance caused by priority confusion， and inherits the advantages of high resource utilization of the traditional strategy. The Simulation proves that this method effectively improves the scheduling performance of the networked control system.

Key words：networked control system; EDF; dynamic changes; precision; scheduling

1引言

網絡控制系統（networked control system， NCS）是通信和控制融合而產生的新興控制系統。由于信道資源共享，任務在實際執行過程中難免會出現時延、丟包、擁塞等問題，這些因素會造成使系統的穩定性明顯下降[1]。因此有必要考慮使用合理的調度策略對任務傳輸過程進行控制，以此優化整個網絡控制系統的運行性能[2-5]。傳統的調度方法往往建立在理想的工作條件下，如具有可預先確定的任務特征屬性如周期、執行時間等，且互相之間完全獨立。但在實際任務傳輸中，往往存在一些干擾因素如突發事件、負載加重等，會造成任務的工作特性發生動態的變化，這使得傳統調度策略的系統適應性變差，難以得到良好的調度效果。文獻[6]對于不確定的丟包和時延問題，設計動態反饋控制器，建立控制系統模型并給出了系統穩定的判定定理。文獻[7]針對具有通信約束和隨機時延的網絡控制系統，預先確定周期性調度策略，并建模成一類具有不確定離散時間的交換系統，通過Lyapunov和LMI技術確定了控制器增益和時間停留條件。對于任務傳輸中動態變化因素問題的研究當前已經取得了一定的進展[8-10]。

本文使用改進的最早截止期優先（earliest deadline first， EDF）精確化調度策略，對動態屬性變化的傳輸任務進行處理，將區間范圍的時間變量約束到一個精確的值，再以此進行數據的傳輸。通過仿真驗證了該策略在任務調度上具有較好的效果。

2傳統EDF調度策略

EDF算法是基于任務時限的動態調度算法，以任務的截止期和當前時刻的距離來劃分優先級，即距離越近優先級越高。在任務傳輸的過程中，優先級不是固定的，隨著時間的變化進行動態調整。EDF算法在所有可搶優的調度算法中，具有最優性。

對于一組獨立的實時周期任務，系統在EDF算法下的可調度條件是傳輸過程中總任務利用率滿足

ci為任務執行時間，hi為任務周期。可知只要任務的U不大于1，說明可被EDF調度，且理論上利用最高可達到100%。傳統EDF調度策略具有易實現，帶寬利用率高的特點，也存在著一些實際缺陷，如未考慮實際偶發時延和數據包丟失以及擾動等因素。這些因素不僅可能會造成任務執行時間和周期發生變化，也會對系統的傳輸性能乃至穩定性帶來了諸多不利的影響。

3 改進的EDF調度策略

對于任務動態變化的時間屬性，從傳統的EDF算法出發，對判定條件（1）和本身調度策略進行改進，為了更接近實際任務傳輸的情況，將信道數據包丟失和擾動因素在后續的仿真中加以考慮。

3.1 改進可調度條件

當前研究對象的時間屬性是動態變化的，因此基本的可調度條件公式（1）不再適用，對比加以修改，用變量W替代原式確定的U，則新定義的判定公式為：