网络控制系统的调度策略仿真研究(2)
在网络控制系统带来诸多优点的同时，也给控制学科带来许多挑战。一方面，由于网络的介入，网络控制系统中信息的传输通过通信网络进行，而网络的带宽是有限的。网络控制系统中的信息以分时复用的方式共享网络资源。网络中数据包的长度，传输速率，传输介质都影响着网络控制系统的性能。同时，网络也带来了网络时延，数据包丢失，数据包时序错乱等问题，使得传统的研究方法无法运用于网络控制系统的研究。另一方面，网络作为信息传输的载体，必然存在着信息调度的问题。尤其对于许多实际的复杂程度高并且空间分布广的系统，受网络带宽的限制，若采用的调度方法不当将导致系统数据和控制命令在传输时发生严重阻塞以致丢失，不仅降低了信息传输的实时性，而且恶化了系统的控制性能。因此，与传统的点对点连接的控制系统不同，网络控制系统的性能不仅依赖于控制策略的优劣，同时还取决于网络中信息调度策略的优劣，两者是相辅相成的。充分考虑网络运行性能、控制需求等多重因素的影响，从控制与调度综合的角度对网络控制系统合理地建模、分析和设计，是网络控制系统实用化所必需的理论基础和技术支撑。
1.2 网络控制系统概述
网络控制系统的结构如图1.1所示。由图可以看出，网络控制系统是指在控制器和被控对象之间加入通信网络，使传感器到控制器的信息传输和控制器到执行器的信息传输通过通信网络来实现。安装在网络上的设备，像传感器、控制器和执行器都是带网络接口的，这些设备是实时控制网络中的独立节点，各个节点之间传输信息通过网络，使得不同地点的用户实现网络资源共享且相互能够协调工作。
图1.1 网路控制系统结构
主要包括：
(1)传感器节点，采集被控对象输出值，通过网络把数据传到控制器；
(2)执行器节点，通过网络接收新的输入数据，以其输出作为被控对象的输入；
(3)控制器节点，通过网络从传感器节点接收被控对象的输出值，运用控制算法计算控制信号，并通过网络传输到执行器节点。
1.3 网络控制系统的调度研究现状
在NCS中，控制环的性能不仅取决于控制算法，也取决于传感器，控制器，执行器共享的网络资源的调度。NCS中的信息调度是指确定网络节点发送数据的次序、发送时刻和时间间隔。调度的目的是尽量避免网络冲突和拥堵的发生，从而减少网络诱导时延和数据包丢失率，削弱网络介入对控制性能造成的负面影响，有效地提高网络运行性能。
基本的调度策略主要有两种：一是静态调度，以RM(Rate Monotonic)算法及其衍生算法为代表；二是动态调度，以EDF(Earliest Deadline First)算法及其衍生算法为代表。目前常用的调度策略有单调速率(RM)静态调度、基于时间窗的静态带宽分配策略、最早时间限优先(EDF)算法、基于死区的动态调度等。
1.3.1 静态调度策略
单调速率(RM)静态调度是最典型的静态调度策略。单调速率(RM)静态调度根据任务的周期分配优先级：任务的周期越短，其优先级就越高。任务的优先级在任务执行之前就已经确定并且不会随时间的变化而变化。何坚强，张唤春[15]提出从网络控制系统的调度和控制结合的角度，应用单调速率RM调度算法对一组周期性的网络控制传输任务经行调度，采用遗传算法实现NCS的调度优化，同时满足网络传输的优化调度与控制系统传输误差最小化的要求，从而优化了网络系统的调度。但是这只针对周期任务的网络控制系统进行静态调度，而没有研究对非周期网络传输的动态调度。