導(dǎo)語：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)信息調(diào)度論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要文章首先闡述了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的信息特征和信息調(diào)度的概念和意義。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究方法：調(diào)度與控制分開設(shè)計和調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計兩大方面，介紹了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究現(xiàn)狀。最后探討了有待解決的問題和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；信息調(diào)度；靜/動態(tài)調(diào)度；混合調(diào)度；調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計

1引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NetworkControlSystem，NCS）是指傳感器、控制器和執(zhí)行器通過網(wǎng)絡(luò)形成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。目前，大部分關(guān)于NCS的研究針對NCS存在的問題和特性建立系統(tǒng)模型、分析系統(tǒng)穩(wěn)定性、給出控制方法和控制規(guī)律，以保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和高質(zhì)量的控制性能。然而NCS的性能不僅依賴于控制策略及控制規(guī)律的設(shè)計，而且還受到網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)資源的限制。信息調(diào)度盡量避免網(wǎng)絡(luò)中信息的沖突和擁塞現(xiàn)象的發(fā)生，從而大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的服務(wù)性能。

2NCS中的信息特征與信息調(diào)度概念

在NCS中網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒅饕譃閮深悾簩崟r性信息和非實時性信息[3]。實時性信息對時間要求非常苛刻，如果在規(guī)定時間的上限內(nèi)某一信息未能起作用，則該信息將被丟棄，啟用最新的信息。而在NCS信息調(diào)度策略中主要調(diào)度兩類數(shù)據(jù)信息：周期性信息和非周期性信息。周期性信息是一種實時性信息，一般要求在傳輸周期時間內(nèi)必須傳送給目標(biāo)節(jié)點，周期性信息也被稱為時間觸發(fā)信息或者同步信息。非周期性信息是指節(jié)點間的請求服務(wù)等信息，它們的發(fā)生時刻是隨機(jī)的，非周期性信息也被稱為事件觸發(fā)信息、異步信息或者隨機(jī)性信息。

此外，在NCS信息調(diào)度中不能忽視突發(fā)性信息，突發(fā)性信息指一些事先無法預(yù)知的突發(fā)性的或者隨機(jī)的事件（例如報警信號、異常處理等），這類信息必須在一定時間內(nèi)給予處理，否則系統(tǒng)可能出現(xiàn)異常甚至癱瘓。

在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，信息調(diào)度發(fā)生在應(yīng)用層，即傳感器、控制器與執(zhí)行器之間信息傳遞的過程中。當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中某節(jié)點發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸碰撞時，信息調(diào)度規(guī)定節(jié)點的優(yōu)先發(fā)送次序、發(fā)送時刻和時間間隔，以避免網(wǎng)絡(luò)沖突。

在NCS中，如果網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)傳輸都能在任務(wù)時限內(nèi)完成，則稱網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸是可調(diào)度的。

3典型的NCS信息調(diào)度算法

目前對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息調(diào)度的研究主要分為調(diào)度與控制的分開設(shè)計和調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計。

3.1調(diào)度與控制的分開設(shè)計

在NCS的研究中，一類研究是針對通信網(wǎng)絡(luò)，研究提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的信息調(diào)度方法；另一類研究是在一定的網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度方法基礎(chǔ)上，研究提高NCS性能的控制方法。因此，信息調(diào)度方法對改善NCS性能起著很大的作用。

根據(jù)信息對實時性的要求，信息調(diào)度分為靜態(tài)調(diào)度（又稱離線調(diào)度）、動態(tài)調(diào)度（又稱在線調(diào)度）和混合調(diào)度。

3.1.1靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度

目前靜態(tài)調(diào)度算法很多，本文著重介紹以下幾種典型的算法以及算法的改進(jìn)。

速率單調(diào)靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度(RateMonotonicSchedulingModel)算法的調(diào)度優(yōu)先級由任務(wù)周期確定，在任務(wù)周期等于時限的同步實時任務(wù)系統(tǒng)中是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。但是該算法具有調(diào)度判定具有指數(shù)時間復(fù)雜度、對任務(wù)的執(zhí)行周期限制的過于嚴(yán)格、只能處理具有固定周期的任務(wù)等缺點。鑒于上述缺點Lehoczky等[23]提出了擴(kuò)大調(diào)度可行性條件的RM算法。Sha等[22]考慮到任務(wù)的阻塞，給出了非搶占服務(wù)方式下RM算法的可調(diào)度條件。葉明等[5]基于RM算法提出了一種新的實時調(diào)度算法(HardReal-timeCommunicationScheduler，HRTCS)。文遠(yuǎn)保等[4]針對任務(wù)的周期和調(diào)度優(yōu)先級關(guān)系不固定的流媒體提出了改進(jìn)的RM算法。

截至?xí)r間單調(diào)調(diào)度模型(DeadlineMonotonicSchedulingModel)策略的任務(wù)優(yōu)先級由任務(wù)時限來決定。該調(diào)度算法要防止任務(wù)越過其時限而得不到調(diào)度，從而影響系統(tǒng)的實時性。當(dāng)任務(wù)周期和時限相同或者所有同步周期性任務(wù)時，DM算法都是最佳靜態(tài)調(diào)度算法。

由Hong等提出的基于時間窗的靜態(tài)帶寬調(diào)度算法避免了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中產(chǎn)生干擾和數(shù)據(jù)沖突。Hong等還將該調(diào)度方法應(yīng)用于循環(huán)服務(wù)型NCS和CAN網(wǎng)下的NCS中。

劉魯源[6]等鑒于該調(diào)度方法只限于調(diào)度網(wǎng)絡(luò)中的周期數(shù)據(jù)，提出基于同步相和異步相的時間窗調(diào)度算法，使非周期數(shù)據(jù)也可以采用該基于時間窗的靜態(tài)調(diào)度算法。

3.1.2動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度

在動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法中，任務(wù)的時間約束關(guān)系并沒有完全確定，新任務(wù)的到達(dá)時間是未知的。下面介紹幾種經(jīng)典的動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。

Liu和Layland提出的時限最早的任務(wù)優(yōu)先調(diào)度（Earliestdeadlinefirstscheduling），任務(wù)優(yōu)先級是任務(wù)時限與任務(wù)執(zhí)行時刻的差，該算法對同步周期任務(wù)組是最佳的動態(tài)調(diào)度算法。鑒于EDF是搶占式調(diào)度算法，任務(wù)間的切換時需要大量開銷。Baker[12]給出了非搶占士服務(wù)方式下EDF算法的可調(diào)度性條件。張惠娟等[11]提出了一種基于EDF算法的優(yōu)先級驅(qū)動實時調(diào)度算法，較大程度地克服了EDF算法在多處理器系統(tǒng)中的調(diào)度缺點。劉懷等[10]提出了基于EDF算法的容錯調(diào)度算法。張奇智等[7]采用非中斷的EDF調(diào)度方法來改善周期性數(shù)據(jù)幀的端到端延遲。洪艷偉等[1]提出了分別在簡單模型上和復(fù)雜模型上如何判定實時任務(wù)的可行性。

最小松弛優(yōu)先調(diào)度(Leastlaxityfirst)和EDF算法可看作同類型的調(diào)度算法，任務(wù)優(yōu)先級是完成時限和任務(wù)執(zhí)行時刻的差再減去周期任務(wù)的執(zhí)行時間。LLF算法盡量避免了長周期任務(wù)的頻繁等待、執(zhí)行，具有較小的抖動性。

最大誤差優(yōu)先—嘗試一次丟棄(mosterrorfirst-tryoncediscard)是Walsh等[8]人提出的基于在線獲取的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)傳輸誤差和動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)帶寬的調(diào)度算法。

Otanez等[9]人提出的基于死區(qū)的動態(tài)調(diào)度在確保系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上動態(tài)地丟棄一定比率的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。但是當(dāng)多個獲準(zhǔn)訪問網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包同時競爭網(wǎng)絡(luò)資源時，該策略不能確定數(shù)據(jù)包發(fā)送的優(yōu)先級。

基于業(yè)務(wù)平滑的動態(tài)調(diào)度是Kewon等利用業(yè)務(wù)平滑的技術(shù)控制Ethernet網(wǎng)的通信量，通過在Ethernet網(wǎng)的UDP(TCP/IP)層和MAC層插入定速率業(yè)務(wù)平滑器和自適應(yīng)業(yè)務(wù)平滑器以限定MAC層數(shù)據(jù)包的到達(dá)速率，并且保證網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的有界性，從而提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量.

Cena等提出的優(yōu)先級提升—分布式優(yōu)先級排隊調(diào)度(PP-DPQ)可以保證實時數(shù)據(jù)傳輸最大間隔具有確定上界，非實時數(shù)據(jù)在傳輸中公平地競爭網(wǎng)絡(luò)資源。

基于時間窗的動態(tài)調(diào)度（DynamicTimeWindow）是Raja對基于時間窗的靜態(tài)調(diào)度算法進(jìn)行改進(jìn)，提出優(yōu)先級循環(huán)服務(wù)和動態(tài)時間窗的帶寬分配策略。

模糊動態(tài)調(diào)度是白濤[13]等將模糊控制理論引入到NCS信息調(diào)度中，利用基于IF2THEN規(guī)則的模糊邏輯確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級。

3.1.3混合調(diào)度

Zuberi等針對CAN下網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，提出混合通信調(diào)度(MTS)策略。在設(shè)計調(diào)度策略時，考慮到數(shù)據(jù)實時性要求不同，可以分別采用不同的調(diào)度策略，以提高網(wǎng)絡(luò)資源的可調(diào)度性。Tabuada等[27]給出的退火控制任務(wù)的事件觸發(fā)實時調(diào)度是基于有反饋事例的事件觸發(fā)調(diào)度器，并且給出了它如何保證系統(tǒng)性能的條件。

3.2調(diào)度與控制的協(xié)同設(shè)計

目前關(guān)于控制與調(diào)度共同設(shè)計成為研究熱點受到越來越多的重視，大體可分為開環(huán)調(diào)度和反饋控制實時調(diào)度兩方面。

3.2.1開環(huán)調(diào)度

1）對NCS中各個控制環(huán)中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點采樣周期和采樣時刻的調(diào)度

Hong基于“窗口”的概念，給出了一種通過調(diào)度采樣時間來減少時延的影響并提高網(wǎng)絡(luò)利用率的調(diào)度算法，建立了NCS控制系統(tǒng)性能與網(wǎng)絡(luò)性能間的約束關(guān)系。但該算法是基于令牌環(huán)系統(tǒng)(tokenpassingsystem)和輪詢系統(tǒng)(pollingsystem)的一維對象的調(diào)度，系統(tǒng)中信息類型僅限于周期性信息。Kim等[16]基于相同思想提出了適用于多維對象的采樣時間調(diào)度算法。劉魯源等[17]提出了利用剩余的時間窗口調(diào)度非實時數(shù)據(jù)提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率的調(diào)度算法。

2）調(diào)度優(yōu)化

Seto[19]針對性能指標(biāo)是單調(diào)遞減并且是每一任務(wù)頻率的凸函數(shù)的這樣一類控制系統(tǒng)，提出了一種通過改變采樣頻率使得任務(wù)能被EDF和RM調(diào)度的新算法，而且系統(tǒng)的性能在有限計算資源的約束下可達(dá)到最優(yōu)。但該算法沒有考慮執(zhí)行時間的變化與擾動問題。Cervin[20]考慮了具有時延變化的控制系統(tǒng)采樣周期的選擇問題，對低于一個采樣周期的時延系統(tǒng)的采樣周期進(jìn)行了分析。Ryu等[21]以穩(wěn)定狀態(tài)誤差、過沖、上升時間、沉降速度等作為控制性能參數(shù)，并將它們表示為采樣周期和輸入輸出延時的函數(shù)，在可調(diào)度約束條件下用迭代算法對這些性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。何堅強(qiáng)等[24]在上述研究的基礎(chǔ)上給出了NCS的優(yōu)化模型并采用遺傳算法來求取采樣頻率。Branicky和Zhang等[25]提出將非搶占RM調(diào)度算法應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度，并給出了保證系統(tǒng)穩(wěn)定和網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度的充分條件。在此基礎(chǔ)上，Branicky等[26]進(jìn)一步對網(wǎng)絡(luò)傳輸時間進(jìn)行了分配，給出了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度優(yōu)化方法。

3.2.2反饋控制實時調(diào)度

開環(huán)調(diào)度算法在負(fù)載能精確建模的動態(tài)或靜態(tài)系統(tǒng)中可以取得很好的效果，可是在不可測的動態(tài)系統(tǒng)中，算法的有效性要極大地降低。近幾年來，“閉環(huán)”調(diào)度由于可以應(yīng)用于很多實時領(lǐng)域因而引起了很多人的關(guān)注。在Seto等提出的系統(tǒng)控制和調(diào)度離線集成設(shè)計的基礎(chǔ)上，Cervin[14]提出一種將控制和調(diào)度動態(tài)彈性集成的框架，允許在線平衡控制性能和可用的計算資源。Stankovic等[18]提出了反饋控制實時調(diào)度的思想，而且還給出了一種結(jié)合PID控制和EDF調(diào)度器的反饋控制實時調(diào)度算法FC-EDF(FeedbackControl-EarliestDeadlineFirst)。湯賢銘等[2]提出了一種將動態(tài)死區(qū)控制和優(yōu)先級分配相結(jié)合的反饋調(diào)度策略，用以解決在工作負(fù)載變動的環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制與調(diào)度問題。Eker等[15]開發(fā)出了針對線性二次(LinearQuadratic)控制的反饋控制器。在可調(diào)度的情況下通過調(diào)整控制環(huán)頻率來優(yōu)化控制性能。Zhao[28]提出了一種結(jié)合速率單調(diào)調(diào)度和新的動態(tài)調(diào)度的動態(tài)反饋調(diào)度，用于調(diào)度預(yù)控制器產(chǎn)生的控制信號的傳輸，該調(diào)度算法確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并且保證系統(tǒng)時延不超過保證系統(tǒng)穩(wěn)定的上限。

4進(jìn)一步可研究的參考方向

當(dāng)前，NCS信息調(diào)度的研究已經(jīng)取得了很多有益的成果。然而，NCS應(yīng)用的復(fù)雜化以及NCS控制與調(diào)度的協(xié)調(diào)設(shè)計趨勢，使得現(xiàn)有的信息調(diào)度方法已不能滿足發(fā)展的需求。因此，給出信息調(diào)度的進(jìn)一步研究問題和研究目標(biāo)，以供參考。

（1）網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)雜化和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的多變性，需要智能化強(qiáng)、實時性好的在線調(diào)度算法。

（2）現(xiàn)有的研究結(jié)果大多限于單控制回路，對共享網(wǎng)絡(luò)的多個控制回路的優(yōu)化調(diào)度等問題需要進(jìn)一步的研究。

（3）有帶寬約束的變速率網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的信息調(diào)度問題。

（4）不同數(shù)據(jù)流分配不同比例帶寬，用來提高高優(yōu)先級別數(shù)據(jù)流的服務(wù)質(zhì)量，避免低優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)流由于網(wǎng)絡(luò)超時而斷開的研究。

（5）研究NCS多目標(biāo)優(yōu)化問題的提取和求解。考慮網(wǎng)絡(luò)利用率、數(shù)據(jù)包丟失率、系統(tǒng)穩(wěn)定性等多重約束，建立NCS多目標(biāo)優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型。進(jìn)而考慮NCS的實時性要求，研究基于遺傳算法等進(jìn)化智能計算方法的NCS分級多目標(biāo)優(yōu)化問題的求解方法。

（6）將系統(tǒng)性能的優(yōu)化映射為較低層次的系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選取、帶寬資源調(diào)度問題，力求達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計與網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的總體性能優(yōu)化的目標(biāo)。引入新的、更多的反映系統(tǒng)性能的優(yōu)化指標(biāo)，尋求新的融合網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)其它結(jié)合點將是未來的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

[1]洪艷偉，賴娟，楊斌.基于EDF算法的可行性判定及實現(xiàn).計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展[J].2006，16(11)：97-102

[2]湯賢銘，錢凱，俞金壽.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)動態(tài)死區(qū)反饋調(diào)度.華東理工大學(xué)學(xué)報[J].2007，33(5)：716-721

[3]張慶靈，邱占芝.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[M].北京市：科學(xué)出版社，2007.37-38

[4]文遠(yuǎn)保，張炫.單調(diào)比率調(diào)度算法研究及改進(jìn).計算機(jī)工程與科學(xué)[J].2006，28(10)，68-70

[5]葉明，羅克露，陳慧.單調(diào)比率(RM)調(diào)度算法及應(yīng)用.計算機(jī)應(yīng)用[J].2005，25(4)：889-891

[6]LIULuyuan，WANRenjun，LIBing.OnstaticschedulingalgorithmfornetworkedcontrolbasedonTTCANprotocol.ControlandDecision[J].2004，19(7)：814-816

[7]張奇智，曹春生，張衛(wèi)東.EDF調(diào)度方法在交換式工業(yè)以太網(wǎng)中的實現(xiàn).化工自動化及儀表[J].2004，31(6)：41-43

[8]WalshGC，HongYe.Schedulingofnetworkedcontrolsystems.IEEEControlSystemMagazine[J].2001，21(1)：57-65

[9]OtanezP，MoyneJ，TilburyD.Usingdeadbandstoreducecommunicationinnetworkedcontrolsystems[A].TheAmericanAutomaticControlCouncil[C].Anchorage：ProceedingsoftheAmericancontrolconference.2002：615-619

[10]劉懷，費樹岷.基于EDF的分布式控制系統(tǒng)容錯調(diào)度算法.軟件學(xué)報[J].2003，14(8)1371-1378

[11]張惠娟，周利華.一種基于EDF算法的多處理器實時調(diào)度算法.計算機(jī)工程與應(yīng)用[J].2003，30(16)16-17

[12]王智.面向現(xiàn)場總線的分布式實時系統(tǒng)的建模與分析方法[D].博士，中國科學(xué)院，2000

[13]白濤.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能分析與調(diào)度優(yōu)化[D].碩士，上海交通大學(xué)，2005

[14]ARZENKE，CERVINA，EKERJ.Anintroductiontocontrolandschedulingco-design[A].InProceedingsofthe39thIEEEConferenceonDecisionandControl[C]Sydney：2000，4865-4870

[15]EKERJ，HAGANDERP，ARZENKE.Afeedbackschedulerforreal-timecontrollertasks.ControlEngineeringPractice[J].2000，8(12)：1369-1378

[16]KIMYH，PARKHS，KWONWH.Aschedulingmethodfornetworkbasedcontrolsystems[A].InProceedingsofIEEEACC[C].USA，1998：718-722

[17]劉魯源，萬仁君，李斌.基于TTCAN協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)靜態(tài)調(diào)度算法的研究.控制與決策[J].2004，19(7)：813-816

[18]STANKOVICJA，LUCY，SONSH，etal.Thecaseforfeedbackcontrolreal-timescheduling[A].InProceedingsofthe11thEuromicroConferenceonReal-TimeSystems[C].NewYork：1999，1：11-20

[19]SETOD，LEHOCZKYJP，SHAL.Taskperiodselectionandschedulabilityinreal-timesystems[A].InProceedingsofthe19thIEEEReal-timeSystemsSymposium[C].Madrid，1998：188-198

[20]CERVINA.Integratedcontrolandreal-timescheduling[D].Ph.D.Dissertation，DepartmentofAutomaticControlLundInstituteofTechnology，2003

[21]RYUM，HONGS.Towardautomaticsynthesisofschedulablereal-timecontrollers.IntegratedComputeraidedEngineering[J].1998，5(3)：261-277

[22]TINDELLK，BUMSA.AnalysisofHardReal-timeCommunication.Real-TimeSystem[J].1995，9(2)：147-173

[23]LEHOCZKYJ，SHAL，DINGY.Theratemonotonicschedulingalgorithm：exactcharacterizationandaveragecasebehavior[A].InProceedingsofIEEEReal-timeSystemsSymposium[C].SantaMonica：1989：166-171

[24]HEJQ，ZHANGHC，JINGYZ.Aintegratedcontrolandschedulingoptimizationmethodofnetworkedcontrolsystems.JournalofElectronicScienceandTechnologyofChina[J].2004，2(2)：56-59

[25]ZHANGW，BRANICKYMS，PHILIPSSM.Stabilityofnetworkedcontrolsystems.IEEEControlMagazine[J].2001，21(1)：84-99

[26]BRANICKYMS，PHILLIPSSM，ZHANGW.Schedulingandfeedbackcodesignfornetworkedcontrolsystems.InProceedingsofIEEEConferenceonDecisionandCoutrol.LasVegas[J].2002：1211-1217

[27]Tabuada，Paulo.Event-TriggeredReal-TimeSchedulingofStabilizingControlTasks.IEEETransactionsonAutomaticControl[J].2007.9(52)：1680-1685

[28]Zhao，Y.B.Integratedpredictivecontrolandschedulingco-designfornetworkedcontrolsystems.ControlTheory&Applications[J].2008，1(2)：7-15