网络控制体系控制与调度协同构设

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1、网络控制体系控制与调度协同构设第一章绪论1.1课题背景及研究目的和意义NCS在给人们带来诸多方便和快捷的同时，不可避免的也遇到了许多实际问题，比如网络的介入使得NCS的分析和设计变得更加复杂。由于网络承受负载的能力有限、传输数据的通信带宽有限，所以在网络系统运行过程中就会产生一些问题，主要包括网络时延、数据包丢失、单包与多包传输、数据包时序错乱、时钟同步等。总之，以上NCS中存在的问题，都会对系统的性能产生严重的影响，比如使得系统变得不稳定，系统的输出不能很快的跟踪输入信号的变化，数据在网络传输中发生阻塞等。所以NCS的理论和实际方面的应用研究也会因为这些不好的影响而变得异常复杂

2、。除此之外，在传统的控制系统中，为了分析和研究的方便，人们对其做了很多理想化的假设，比如系统时钟同步、没有网络时延等，而这些传统控制下的假设对于目前广泛应用的NCS是不合时宜的。因此，深入了解NCS和传统控制系统的特点之后，我们应该把重点放在NCS的分析和设计方法研究上，这对于NCS的理论研究和实际应用都具有深层次的指导意义。为了解决上述时延、数据丢包、数据传输、时序错乱等问题，人们开始深入研究NCS的控制算法和调度策略，寻求实际意义上的解决办法。1.2国内外研究发展概况随着计算机技术和通信技术的持续发展，研究NCS的人才越来越多，并且国内外许多学者也取得了丰硕的研究成果，但是这

3、些远远还不能满足现代化的工业需求。因此，有必要对NCS做更深层次的研究。当前，NCS的研究主要是以客观存在的网络环境作为给定条件，通过设计出合理的控制算法，来保证NCS处于良好的运行状态。和传统控制方法相比，预测控制和最优控制[15-17]都可以用来研究NCS的时延问题，文献[18]通过建立离散时延模型，采用类似于推测丢包率的方法估计各链路的平均时延，采用的递归算法虽然复杂度不高，但其性能损失较大。文献[19]采用伪似然估计和伪EM算法进行时延估计。它将网络划分为若干个子网，推测问题分解成若干子问题并进行迭代计算，最终得到最优结果。除了以上对控制算法进行研究外，国内外很多学者还对

4、网络本体进行了研究。通过改进网络协议、提高网络服务质量、优化调度策略等方法，以满足控制系统的性能，从而减少时延、数据包丢失等因素对系统性能造成的影响。这些主要通过运筹学和控制方面的知识来完成。综上，考虑到控制与调度两方面的因素，基于NCS中存在的问题，本文主要从控制与调度两方面进行研究，用于克服控制系统失稳、网络时延、数据丢包、网络阻塞等带来的不利影响。第二章网络控制系统的控制与调度协同设计2.1控制与调度协同设计思想在NCS中，控制与调度是一对矛盾，从控制方面考虑，采样周期越小越好，但采样周期过小，就会增加大量的周期性任务，进而也就增加了网络调度的负担。从调度方面考虑，采样抖动

5、、输入输出时延和时延抖动等都会对控制回路产生很大的影响[49]。所以，需要寻找合适的方法解决控制与调度这一对矛盾，从而获得系统总体性能的折衷。以前控制系统的设计分为实时系统的设计和控制系统的设计，由于这两方面通常由不同的人来完成，这样就使得控制算法的设计忽略了计算平台。而计算机学者根本就不懂控制回路对时间的具体要求，当综合考虑控制与调度时，往往有很多理想化的假设就不再适用，这势必会影响到控制系统的性能。在全面了解了控制与调度的关系后，就可以从控制与调度两方面考虑去研究NCS的性能，从而使系统性能得到整体优化。NCS中控制与调度协同设计包括两方面内容：一方面是可抢先的CPU调度与控

6、制的协同设计问题，另一方面是不可枪先的网络调度与控制的协同设计问题。但后者的研究更富有挑战性，成为国内外学者研究的热点。在NCS中，不仅控制算法影响其控制性能，而且网络调度策略也会影响系统控制性能。对于离散系统，采样周期越小越好，采样周期越小越能使得控制系统获得较好的控制效果。然而，对于NCS来说，采样周期减小就相当于加重了网络负担，由于网络带宽和传输速率有限，所以重载荷必将导致数据传输时延加大、数据包丢失、网络阻塞，这些不利因素极大的影响了系统的综合性能。本章内容将在前人控制系统设计的基础上，讨论几种控制与调度的协同设计方法，为后面章节解决NCS网络资源合理使用和控制性能之间的

7、矛盾提供了理论基础。2.2控制与调度协同设计的方法目前，大多数调度算法都是开环调度，其主要是按照事先离线设计好的优先级规则进行网络调度。当网络环境发生变化时，这类算法往往不再适用。为了解决开环调度带来的问题，于是闭环调度便受到了人们极大的关注。所谓闭环调度就是NCS各回路能够根据输入与输出的误差动态的调整各回路使用网络的先后顺序，由于这类算法可以在在线实时的调整任务的先后顺序，因此极大的改善了系统的性能。此外，随着人们对网络控制技术的深入研究，一些混合调度设计也表现出了极大的优势