任务属性不确定网络控制系统调度算法研究

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1、第一章绪论1)发送处理时延％化：包括源节点的应用程序产生应用层数据的时间‰mp和将其转换为合适的网络传输格式所需要的时间kod。，依赖于源节点设备软、硬件的性能，是可预测的；2)等待时延‰it：数据链路层数据帧在发送缓存中等待MAC协议发送的时间，包括在缓存队列中的排队时间死眦。。和进行信道竞争等待信道空闲的时间死lock，其大小由源节点中待发送的数据量和此刻网络流量决定。影响等待时延‰i。的重要因素有MAC层协议、信息连接方式和网络负载；3)传输时延％：包括物理层信号发送到信道上的发送时间‰m。和信号在物理信道上的传输时间‰。。传输时延是控制网络

2、中最具确定性的参数，因为它只依赖于网络带宽和两节点之间的距离，可用公式描述为正．姗。=[Ⅳdm+Ⅳovhd+^70+^70】唪8半死。(1-3)式中Mlala是所发送数据帧的位数，Ⅳovhd是数据帧头的位，‰是补充数据位的位数，Ⅳsm是在一些协议中用到的填充机制中所填的位数，死i。是发送一位需要的时间，瓦m。是信号在网络上任意两节点间的传播时间。由于信号在通信介质中的传播速度是2×108州s，在短距离范围(100m或更小)的控制网络内，传播时间可以忽略不计：4)接收处理时延‰n：将数据帧解析还原为应用层信息时间死。0d。和传递给任务的时间乃。。肿，

3、与目标节点设备的软、硬件性能有关。通过以上分析可知，网络控制系统中端到端时延是由网络和设备共同决定的。‰和‰或取决于设备的软、硬件性能，当系统给定时，它们是可以预测的。网络带宽决定信息的发送时间，传输时间在小范围内可忽略不计，因此传输时延咒是确定的。等待时延‰j，随网络节点数和数据量的增加而增大，即使在正常工作状态下，网络流量基本稳定，对于采用不同协议的系统，等待时延将随介质访问控制机制的不同而有很大差异，当网络流量波动时，这种差异会更大。因此，网络控制系统时延的不确定性主要来自介质访问子层(MAC)的等待时延，优化MAC层协议便成为提高网络性能，

4、满足系统实时性要求的关键环节。1．2．2网络负载的分析网络负载是产生时延的直接原因。在作网络规划时，负载分析是考察网络的可调度性和了解时延分布特征的重要环节。网络负载包括理论负载和实际负载。前者是指在理想情况下(无信道冲突和干扰)由发送任务产生的信息总量的单位时间平均值；后者是指网络运行过程中，单位时间内成功发送到信道上的数据(包第一章绪论含冲突重发的数据)，即单位时间内占用信道资源的信息量。网络负载的构成如图1．4所示。理论负载包括周期任务产生的周期性数据，如各种传感器和控制器的I／O信号和部分系统状态监测数据，以及报警信号、紧急操作指令产生的猝

5、发数据。在系统运行开始和结束时产生的用户编程和组态数据等非实时数据不影响运行状态，可以不计算在内。由于控制网络的周期性发送任务主要是传感器数据和控制信号的发送，发送周期和控制回路的采样周期一致，在确定了各回路的采样周期后，就可以估计出一段时间内的理论负载。而猝发数据由突发事件产生，不可预知，但通常产生的信息量较小，可以按上界计算。假设网络控制系统中共有M个周期发送任务，选取所有任务周期的最小公倍数作为运行时间‰，这段时间内的理论负载描述为M∑Ⅳ(，)乙／∥+s‘J’H，7巳=生1=-一Z。=￡CM(，‘n，71‘孙，⋯，丁‘M’)式中Ⅳ，)表示任务

6、f发送的信息量(比特数)，FD表示任务f的周期，s表示运行时间内产生的猝发信息量。实际负载除了包含理论负载外，还包括协议开销(时钟同步、令牌传输等)。和由各种原因产生的重传信息量△，它的平均值可表示为P砷-尸一△。实际负载尸。h是一个瞬时值，猝发数据和信息冲突造成的重传数据引起了负载波动。在网络运行过程中，其他导致时延不确定性的因素不再发生变化，因此负载波动是产生时延抖动的直接原因。第一章绪论1．2．3调度算法的研究在网络控制系统中，控制环的性能不仅依赖于控制算法，而且也依赖于对共享的网络资源的调度。这里的调度包含两个内容，一个是实时控制器中各个任

7、务的调度，还有一个是网络调度。这里所说的网络调度发生在网络用户层，而不是发生在传输层，调度算法所关心的是被控对象传输数据的快慢和被传输的数据所具有的优先击级，而不关心被发送的数据如何更有效地从出发点到达目的节点以及当线路堵塞时应采取何种措施，这些问题在网络层由线路优化和堵塞控制算法所考虑。另外，发生在用户层的调度控制还可以调度控制环的采样周期和采样时刻，以尽量避免网络中消息冲突现象的发生，从而最大限度地减少数据的传输时延。实时调度算法总体上可以分为两类：静态调度算法和动态调度算法。静态调度算法是一种可预测的方法，要求对任务集和任务的约束有确定的了解

8、，如任务的截止期限、执行时间、周期、时序约束等。Liu和Layland提出的速率单调(RateMonotonic。RM)算