网络控制系统中的信息调度

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1、网络控制系统中的信息调度摘要文章首先阐述了网络控制系统中的信息特征和信息调度的概念和意义。根据网络控制系统的研究方法：调度与控制分开设计和调度与控制协同设计两大方面，介绍了网络控制系统中信息调度的研究现状。最后探讨了有待解决的问题和发展趋势。关键词网络控制系统；信息调度；静/动态调度；混合调度；调度与控制协同设计1　引言网络控制系统（Net，NCS）是指传感器、控制器和执行器通过网络形成的闭环反馈控制系统。目前，大部分关于NCS的研究针对NCS存在的问题和特性建立系统模型、分析系统稳定性、给出控制方法和控制规律，以保证系统具有良

2、好的稳定性和高质量的控制性能。然而NCS的性能不仅依赖于控制策略及控制规律的设计，而且还受到网络通信和网络资源的限制。信息调度尽量避免网络中信息的冲突和拥塞现象的发生，从而大大提高了网络控制系统的服务性能。2　NCS中的信息特征与信息调度概念在NCS中网络传输的信息主要分为两类：实时性信息和非实时性信息[3]。实时性信息对时间要求非常苛刻，如果在规定时间的上限内某一信息未能起作用，则该信息将被丢弃，启用最新的信息。而在NCS信息调度策略中主要调度两类数据信息：周期性信息和非周期性信息。周期性信息是一种实时性信息，一般要求在传输周

3、期时间内必须传送给目标节点，周期性信息也被称为时间触发信息或者同步信息。非周期性信息是指节点间的请求服务等信息，它们的发生时刻是随机的，非周期性信息也被称为事件触发信息、异步信息或者随机性信息。此外，在NCS信息调度中不能忽视突发性信息，突发性信息指一些事先无法预知的突发性的或者随机的事件（例如报警信号、异常处理等），这类信息必须在一定时间内给予处理，否则系统可能出现异常甚至瘫痪。在网络控制系统中，信息调度发生在应用层，即传感器、控制器与执行器之间信息传递的过程中。当系统网络中某节点发生数据传输碰撞时，信息调度规定节点的优先发送

4、次序、发送时刻和时间间隔，以避免网络冲突。在NCS中，如果网络控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成，则称网络控制系统的传输是可调度的。3　典型的NCS信息调度算法目前对网络控制系统中信息调度的研究主要分为调度与控制的分开设计和调度与控制的协同设计。3.1　调度与控制的分开设计在NCS的研究中，一类研究是针对通信网络，研究提高网络服务质量的信息调度方法；另一类研究是在一定的网络信息调度方法基础上，研究提高NCS性能的控制方法。因此，信息调度方法对改善NCS性能起着很大的作用。根据信息对实时性的要求，信息调度分为静态调度（又称

5、离线调度）、动态调度（又称在线调度）和混合调度。3.1.1　静态优先级调度目前静态调度算法很多，本文着重介绍以下几种典型的算法以及算法的改进。速率单调静态优先级调度(RateMonotonicSchedulingModel)算法的调度优先级由任务周期确定，在任务周期等于时限的同步实时任务系统中是最佳静态调度算法。但是该算法具有调度判定具有指数时间复杂度、对任务的执行周期限制的过于严格、只能处理具有固定周期的任务等缺点。鉴于上述缺点Lehoczky等[23]提出了扩大调度可行性条件的RM算法。Sha等[22]考虑到任务的阻塞，给出

6、了非抢占服务方式下RM算法的可调度条件。叶明等[5]基于RM算法提出了一种新的实时调度算法(HardReal-timemunicationScheduler，HRTCS)。文远保等[4]针对任务的周期和调度优先级关系不固定的流媒体提出了改进的RM算法。截至时间单调调度模型(DeadlineMonotonicSchedulingModel)策略的任务优先级由任务时限来决定。该调度算法要防止任务越过其时限而得不到调度，从而影响系统的实时性。当任务周期和时限相同或者所有同步周期性任务时，DM算法都是最佳静态调度算法。由Hong等提出的

7、基于时间窗的静态带宽调度算法避免了数据在网络传输过程中产生干扰和数据冲突。Hong等还将该调度方法应用于循环服务型NCS和CAN网下的NCS中。刘鲁源[6]等鉴于该调度方法只限于调度网络中的周期数据，提出基于同步相和异步相的时间窗调度算法，使非周期数据也可以采用该基于时间窗的静态调度算法。3.1.2　动态优先级调度在动态优先级调度算法中，任务的时间约束关系并没有完全确定，新任务的到达时间是未知的。下面介绍几种经典的动态优先级调度算法。Liu和Layland提出的时限最早的任务优先调度（Earliestdeadlinefirsts

8、cheduling），任务优先级是任务时限与任务执行时刻的差，该算法对同步周期任务组是最佳的动态调度算法。鉴于EDF是抢占式调度算法，任务间的切换时需要大量开销。Baker[12]给出了非抢占士服务方式下EDF算法的可调度性条件。张惠娟等[11]提出了一种基于E