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基于傳感器和控制器節點的NCS死區調度研究論文
1緒論
1.1研究的背景和意義
計算機、通信、控制、傳感器等技術的不斷發展促使傳統控制系統的結構和信息傳輸模式發生了巨大的變化。傳統控制系統中，在空間上分散的傳感器、控制器和執行器通過專線彼此連接并發送信息，系統采用點對點的信息傳輸模式。當控制系統結構日益復雜、功能不斷擴展時，專線連接的方式將會使控制系統的布線變得十分復雜，不僅增加了布線成本和維護成本，而且降低了整個控制系統的靈活性、可靠性和抗干擾能力。傳統的信息傳輸模式己經不能滿足信息的傳輸要求了。
網絡控制系統(Networked Control Systems, NCS)指在傳感器、控制器與執行器之間，通過網絡進行通信的分布式控制系統(杜鋒等，2010)。在NCS中，被控對象與系統中各節點(傳感器、控制器、執行器)通過網絡進行連接并進行信息傳輸。
NCS具有資源共享、布線簡單、易于擴展和維護等優點，己被廣泛應用于航空航天、機器人控制、衛星控制等復雜控制系統。盡管與傳統控制系統相比，NCS具有許多的優點，但是隨著網絡的引入，不可避免的給NCS的研究帶來了許多的挑戰。在NCS中，所有節點共享同一通信網絡，各節點必須通過競爭獲得網絡訪問權才能向其他節點發送數據。因此，在網絡帶寬資源不足的情況下，NCS的調度研究顯得尤為重要。
1.2 NCS調度研究現狀
目前，網絡調度己經成為當前NCS研究的熱點問題，它的主要研究內容是如何在網絡帶寬資源受限時，設計合理的網絡調度方案以滿足系統的實時性要求。下面對NCS調度的研究現狀進行簡單的介紹。
1.2.1基于實時調度的方法
文獻(Liuetal.，1973)針對一組相互獨立的實時周期任務提出了兩種最優調度算法——單調速率算法(RM, RateMonotonic)和最早截止時間優先算法(EDF，EarliestDeadline Hrst)。RM調度算法根據任務的各項任務的jS]期進行優先級的分配，即任務周期越小(大)，優先級越高(低)，且各項任務的優先級在調度過程中不變。
EDF調度算法則根據各項任務距離截止時間的大小來確定優先級，即距離截止時間越小(大)，優先級越高(低)，且當有新的任務處于就緒狀態時，各項任務的優先級必須重新計算。文獻(趙維檢等，2010)對RM調度算法和EDF調度算法在NCS中應用的可行性進行了討論，并對這兩類調度算法在NCS中的調度優化問題進行了仿真研究。文獻(Zhang etal.，2001)將RM調度算法應用到NCS當中，并針對Liu提出的可搶占的RM調度算法提出了更適合NCS的不可搶占的RM調度算法。文獻(劉K英等，2013)在對車身NCS的特點進行分析后，將RM調度算法應用于車身NCS屮，并進行可調度性分析。
文獻(史停娜等，2011)在經典EDF的基礎上引入模糊調度算法，提出了靜態的擴展EDF模糊調度算法，解決了經典調度算法不能確定模糊時間優先級的問題。文獻(梅智慧等，2014)結合了圖論思想和EDF調度算法的優點對系統的帶寬分配進行了優化，存效的降低了動態網絡環境中的時延和數據流量。
2 NCS基礎知識介紹
2.1NGS的結構
NCS的典型結構如圖1所示。由圖1可知，NCS由被控對象、傳感器、控制器、執行器以及通信網絡組成。在NCS中，傳感器向控制器和控制器向執行器的數據傳輸都是通過網絡完成。由于多個網絡節點共用同一網絡進行數據傳輸，數據傳輸過程不可避免的存在網絡時延。其中，rse表示傳感器向控制器傳輸數據時產生的時延，r"表示控制器向執行器傳輸數據時產生的時延。
2.2 NCS研究的基本問題
如圖1所示，NCS由被控對象、傳感器、控制器、執行器以及通信網絡所組成。NCS在傳統控制系統的基礎上引入了通信網絡，使得其研究變得更為復雜。由于網絡的存在，NCS中不可避免的存在以下基本問題(杜鋒等，2012):
2.2. 1通信協議
通信協議是NCS在網絡中進行數據傳輸的基礎，決定了 NCS的所具有的網絡特性，如網絡時延特性、各節點傳輸信號優先級特性等。這些特性對NCS的控制性能有著重要的影響。所以，在NCS的實現中必須了解這些網絡的具體特征，才能使所設計的控制算法更好的滿足系統的性能要求。在NCS中，常用的網絡協議包括兩類，即隨機訪問和輪詢服務。在隨機訪問的網絡中，主要包括以太網(CSMA/CD)和CAN總線(CSMA/AMP)，其中CAN總線是具有優先級的網絡。
在輪詢服務的網絡中，NCS通過傳遞令牌的方式實現網絡中各節點的信息傳如令牌總線和令牌環。節點驅動方式是指NCS中各節點的工作方式，主要包括時間驅動和事件驅動。時間驅動是采用該工作方式的節點定期完成所設定的任務。
事件驅動是指采用該工作方式的節點被特定的事件(如接收到數據包等)觸發后便立即執行所設定的任務。在NCS中，根據各節點工作特點對其設置相應驅動方式。傳感器需要周期性的進行采樣，一般采用時間驅動;控制器和執行器在接收到有效信息后需要進行相應處理，一般采用事件驅動(王巖等，2009)。
3基于死區調度的NCS.........10
3.1多個回路共享同一網絡的NCS.........10
3. 2 NCS中的死區調度.........10
3.3死區調度研究的不足.........11
3.4新的死區調度方法.........11
3.5釆用方法1的死區調度方法.........12
3. 6釆用方法2的死區調度方法.........14
3.7基于死區調度的NCS流程.........14
3.8新的死區調度方法的特點.........15
3.9本章小結.........16
4死區調度方法仿真研究.........17
4.1仿真軟件介紹.........17
4.2仿真參數設置.........17
4. 3未采用死區調度.........18
4. 4采用方法1的死區調度.........22
4.5采用方法2的死區調度.........29
4.7本章小結.........37
5死區調度方法性能研究.........38
5.1網絡丟包.........38
5.2階躍干擾.........40
5.3本章小結.........42
5死區調
度方法性能
研究死區調度方法的仿真結架表明，在網絡帶寬資源不足時，本文提出的兩種死區調度方法能夠有效性提升系統的控制性能質量。為進一步分析兩種死區調度方法的控制效果，本章將在不同的仿真環境下對其進行研究。
5.1網絡丟包
當NCS存在數據丟包時，由于某些數據包不能到達目標節點(如控制器、執行器等)，將導致各節點接收到的存效信息減少，進而影響NCS的控制效果。為了驗證本文所提出的兩種死區調度方式是否能夠在系統存在丟包的網絡環境下保持良好的控制效果，本節對存在數據丟包的NCS進行研究。
從圖42至圖44可知，NCS中的各控制回路具有良好的控制性能。雖然在參考信號出現階躍時，各控制回路存在超調量和時延等情況，但各控制回路系統輸出仍能夠較好的跟蹤參考信號。與未采用死區調度時(圖6至圖8)相比，NCS的控制性能顯著提升。
總結
在網絡帶寬資源受限的情況下，設計合理的調度策略能夠減少NCS中的網絡沖突，改善網絡的服務質量，進一步提高NCS的綜合應用性能。因此，本文設計了兩種死區調度方法對網絡進行調度。以下是本文的主要工作和成果：
1.簡述了NCS的基本概念及存在的問題。從網絡調度的角度出發，對NCS調度方法進行了綜述，并指出各種調度方法的特點。
2.介紹了NCS中死區調度的概念，根據現有死區調度方法所存在的不足，提出了兩種死K調度方法，并分析了其特點。
3.通過truetime-1.5仿真驗證了兩種死區調度方法的可行性。從系統輸出響應、網絡時延、網絡調度、網絡數據包流量等方面說明了兩種死區調度方法能夠有效的緩解網絡沖突、降低網絡時延、提高系統的控制性能。通過對死區調度方法進行對比分析，說明了本文所提出的兩種死區調度方法的有效性。
4.分別在存在網絡丟包和階躍干擾的環境下，對兩種死區調度方法進行了研究。仿真結果表明，各控制回路能夠快速的跟蹤參考輸入信號，保持良好的控制性能。
參考文獻(略)
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