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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。最后讨论了有待解决的问题和开展趋势。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NetrkntrlSyste，NS是指传感器、控制器和执行器通过网络形成的闭环反应控制系统。目前，大局部关于NS的研究针对NS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，以保证系统具有良好的稳定性和高质量的控制性能。然而NS的性能不仅依赖于控
2、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。信息调度尽量防止网络中信息的冲突和拥塞现象的发生，从而大大进步了网络控制系统的效劳性能。2NS中的信息特征与信息调度概念在NS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，假如在规定时间的上限内某一信息未能起作用，那么该信息将被丢弃，启用最新的信息。而在NS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，一般要求在传输周期时间内必须传送给目的节点，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恳求效劳等信息，它们的发生时刻是随机的
3、，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NS信息调度中不能无视突发性信息，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，否那么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次序、发送时刻和时间间隔，以防止网络冲突。在NS中，假如网络控制系统的所有数据传输都能在任务时限内完成，那么称网络控制系统的传输是可调度的。3典型的NS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
4、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NS的研究中，一类研究是针对通信网络，研究进步网络效劳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根底上，研究进步NS性能的控制方法。因此，信息调度方法对改善NS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良。速率单调静态优先级调度(RatentniShedulingdel)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正确静态调
5、度算法。但是该算法具有调度断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Lehzky等23提出了扩大调度可行性条件的R算法。Sha等22考虑到任务的阻塞，给出了非抢占效劳方式下R算法的可调度条件。叶明等5基于R算法提出了一种新的实时调度算法(HardReal-tieuniatinSheduler，HRTS)。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良的R算法。截至时间单调调度模型(DeadlinentniShedulingdel)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
6、统的实时性。当任务周期和时限一样或者所有同步周期性任务时，D算法都是最正确静态调度算法。由Hng等提出的基于时间窗的静态带宽调度算法防止了数据在网络传输过程中产生干扰和数据冲突。Hng等还将该调度方法应用于循环效劳型NS和AN网下的NS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Earliestdea
7、dlinefirstsheduling，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正确的动态调度算法。鉴于EDF是抢占式调度算法，任务间的切换时需要大量开销。Baker12给出了非抢占士效劳方式下EDF算法的可调度性条件。张惠娟等11提出了一种基于EDF算法的优先级驱动实时调度算法，较大程度地克制了EDF算法在多处理器系统中的调度缺点。刘怀等10提出了基于EDF算法的容错调度算法。张奇智等7采用非中断的EDF调度方法来改善周期性数据帧的端到端延迟。洪艳伟等1提出了分别在简单模型上和复杂模型上如何断定实时任务的可行性。最小松弛优先调度(Leastlaxityfirst)和
8、EDF算法可看作同类型的调度算法，任务优先级是完成时限和任务执行时刻的差再减去周期任务的执行时间。LLF算法尽量防止了长周期任务的频繁等待、执行，具有较小的抖动性。最大误差优先尝试一次丢弃(sterrrfirst-trynedisard)是alsh等8人提出的基于在线获取的网络诱导传输误差和动态分配网络带宽的调度算法。tanez等9人提出的基于死区的动态调度在确保系统性能的根底上动态地丢弃一定比率的数据，以减轻网络的负荷。但是当多个获准访问网络的数据包同时竞争网络资源时，该策略不能确定数据包发送的优先级。基于业务平滑的动态调度是Ken等利用业务平滑的技术控制Ethernet网的通信量，通过在E
9、thernet网的UDP(TP/IP)层和A层插入定速率业务平滑器和自适应业务平滑器以限定A层数据包的到达速率，并且保证网络诱导时延的有界性，从而进步网络的效劳质量.ena等提出的优先级提升分布式优先级排队调度(PP-DPQ)可以保证实时数据传输最大间隔具有确定上界，非实时数据在传输中公平地竞争网络资源。基于时间窗的动态调度DynaiTieind是Raja对基于时间窗的静态调度算法进展改良，提出优先级循环效劳和动态时间窗的带宽分配策略。模糊动态调度是白涛13等将模糊控制理论引入到NS信息调度中，利用基于IF2THEN规那么的模糊逻辑确定数据传输的优先级。3.1.3混合调度Zuberi等针对AN
10、下网络控制系统，提出混合通信调度(TS)策略。在设计调度策略时，考虑到数据实时性要求不同，可以分别采用不同的调度策略，以进步网络资源的可调度性。Tabuada等27给出的退火控制任务的事件触发实时调度是基于有反应事例的事件触发调度器，并且给出了它如何保证系统性能的条件。3.2调度与控制的协同设计目前关于控制与调度共同设计成为研究热点受到越来越多的重视，大体可分为开环调度和反应控制实时调度两方面。3.2.1开环调度1对NS中各个控制环中数据传输节点采样周期和采样时刻的调度Hng基于“窗口的概念，给出了一种通过调度采样时间来减少时延的影响并进步网络利用率的调度算法，建立了NS控制系统性能与网络性能
11、间的约束关系。但该算法是基于令牌环系统(tkenpassingsyste)和轮询系统(pllingsyste)的一维对象的调度，系统中信息类型仅限于周期性信息。Ki等16基于一样思想提出了适用于多维对象的采样时间调度算法。刘鲁源等17提出了利用剩余的时间窗口调度非实时数据进步了网络资源利用率的调度算法。2调度优化Set19针对性能指标是单调递减并且是每一任务频率的凸函数的这样一类控制系统，提出了一种通过改变采样频率使得任务能被EDF和R调度的新算法，而且系统的性能在有限计算资源的约束下可到达最优。但该算法没有考虑执行时间的变化与扰动问题。ervin20考虑了具有时延变化的控制系统采样周期的选择
12、问题，对低于一个采样周期的时延系统的采样周期进展了分析。Ryu等21以稳定状态误差、过冲、上升时间、沉降速度等作为控制性能参数，并将它们表示为采样周期和输入输出延时的函数，在可调度约束条件下用迭代算法对这些性能参数进展优化。何坚强等24在上述研究的根底上给出了NS的优化模型并采用遗传算法来求取采样频率。Braniky和Zhang等25提出将非抢占R调度算法应用于网络控制系统的调度，并给出了保证系统稳定和网络可调度的充分条件。在此根底上，Braniky等26进一步对网络传输时间进展了分配，给出了网络调度优化方法。3.2.2反应控制实时调度开环调度算法在负载能准确建模的动态或静态系统中可以获得很好
13、的效果，可是在不可测的动态系统中，算法的有效性要极大地降低。近几年来，“闭环调度由于可以应用于很多实时领域因此引起了很多人的关注。在Set等提出的系统控制和调度离线集成设计的根底上，ervin14提出一种将控制和调度动态弹性集成的框架，允许在线平衡控制性能和可用的计算资源。Stankvi等18提出了反应控制实时调度的思想，而且还给出了一种结合PID控制和EDF调度器的反应控制实时调度算法F-EDF(Feedbakntrl-EarliestDeadlineFirst)。汤贤铭等2提出了一种将动态死区控制和优先级分配相结合的反应调度策略，用以解决在工作负载变动的环境中网络控制系统的控制与调度问题。
14、Eker等15开发出了针对线性二次(LinearQuadrati)控制的反应控制器。在可调度的情况下通过调整控制环频率来优化控制性能。Zha28提出了一种结合速率单调调度和新的动态调度的动态反应调度，用于调度预控制器产生的控制信号的传输，该调度算法确保了系统的稳定性，并且保证系统时延不超过保证系统稳定的上限。4进一步可研究的参考方向当前，NS信息调度的研究已经获得了很多有益的成果。然而，NS应用的复杂化以及NS控制与调度的协调设计趋势，使得现有的信息调度方法已不能满足开展的需求。因此，给出信息调度的进一步研究问题和研究目的，以供参考。1网络控制的复杂化和网络运行状况的多变性，需要智能化强、实时
15、性好的在线调度算法。2现有的研究结果大多限于单控制回路，对共享网络的多个控制回路的优化调度等问题需要进一步的研究。3有带宽约束的变速率网络化控制系统的信息调度问题。4不同数据流分配不同比例带宽，用来进步高优先级别数据流的效劳质量，防止低优先级别的数据流由于网络超时而断开的研究。5研究NS多目的优化问题的提取和求解。考虑网络利用率、数据包丧失率、系统稳定性等多重约束，建立NS多目的优化问题的数学模型。进而考虑NS的实时性要求，研究基于遗传算法等进化智能计算方法的NS分级多目的优化问题的求解方法。6将系统性能的优化映射为较低层次的系统参数优化、网络参数选娶带宽资源调度问题，力求到达系统设计与网络实
16、现的总体性能优化的目的。引入新的、更多的反映系统性能的优化指标，寻求新的交融网络与控制系统其它结合点将是将来的开展方向。参考文献1洪艳伟，赖娟，杨斌.基于EDF算法的可行性断定及实现.计算机技术与开展J.2022，16(11)：97-1022汤贤铭，钱凯，俞金寿.网络控制系统动态死区反应调度.华东理工大学学报J.2022，33(5)：716-7213张庆灵，邱占芝.网络控制系统.北京市：科学出版社，2022.37-384文远保，张炫.单调比率调度算法研究及改良.计算机工程与科学J.2022，28(10)，68-705叶明，罗克露，陈慧.单调比率(R)调度算法及应用.计算机应用J.2022，25(4)：889-8916LIULuyuan，ANRenjun，LIBing.nstatishedulingalgrithfrnetrkedntrlbasednTTANp
