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基于傳感器和控制器節(jié)點的NCS死區(qū)調(diào)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(shù)的不斷發(fā)展促使傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和信息傳輸模式發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，在空間上分散的傳感器、控制器和執(zhí)行器通過專線彼此連接并發(fā)送信息，系統(tǒng)采用點對點的信息傳輸模式。當控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、功能不斷擴展時，專線連接的方式將會使控制系統(tǒng)的布線變得十分復(fù)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(tǒng)的靈活性、可靠性和抗干擾能力。傳統(tǒng)的信息傳輸模式己經(jīng)不能滿足信息的傳輸要求了。
網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked Control Systems, NCS)指在傳感器、控制器與執(zhí)行器之間，通過網(wǎng)絡(luò)進行通信的分布式控制系統(tǒng)(杜鋒等，2010)。在NCS中，被控對象與系統(tǒng)中各節(jié)點(傳感器、控制器、執(zhí)行器)通過網(wǎng)絡(luò)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(yōu)點，己被廣泛應(yīng)用于航空航天、機器人控制、衛(wèi)星控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。盡管與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，NCS具有許多的優(yōu)點，但是隨著網(wǎng)絡(luò)的引入，不可避免的給NCS的研究帶來了許多的挑戰(zhàn)。在NCS中，所有節(jié)點共享同一通信網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點必須通過競爭獲得網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)才能向其他節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，在網(wǎng)絡(luò)帶寬資源不足的情況下，NCS的調(diào)度研究顯得尤為重要。
1.2 NCS調(diào)度研究現(xiàn)狀
目前，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度己經(jīng)成為當前NCS研究的熱點問題，它的主要研究內(nèi)容是如何在網(wǎng)絡(luò)帶寬資源受限時，設(shè)計合理的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方案以滿足系統(tǒng)的實時性要求。下面對NCS調(diào)度的研究現(xiàn)狀進行簡單的介紹。
1.2.1基于實時調(diào)度的方法
文獻(Liuetal.，1973)針對一組相互獨立的實時周期任務(wù)提出了兩種最優(yōu)調(diào)度算法——單調(diào)速率算法(RM, RateMonotonic)和最早截止時間優(yōu)先算法(EDF，EarliestDeadline Hrst)。RM調(diào)度算法根據(jù)任務(wù)的各項任務(wù)的jS]期進行優(yōu)先級的分配，即任務(wù)周期越小(大)，優(yōu)先級越高(低)，且各項任務(wù)的優(yōu)先級在調(diào)度過程中不變。
EDF調(diào)度算法則根據(jù)各項任務(wù)距離截止時間的大小來確定優(yōu)先級，即距離截止時間越小(大)，優(yōu)先級越高(低)，且當有新的任務(wù)處于就緒狀態(tài)時，各項任務(wù)的優(yōu)先級必須重新計算。文獻(趙維檢等，2010)對RM調(diào)度算法和EDF調(diào)度算法在NCS中應(yīng)用的可行性進行了討論，并對這兩類調(diào)度算法在NCS中的調(diào)度優(yōu)化問題進行了仿真研究。文獻(Zhang etal.，2001)將RM調(diào)度算法應(yīng)用到NCS當中，并針對Liu提出的可搶占的RM調(diào)度算法提出了更適合NCS的不可搶占的RM調(diào)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(diào)度算法應(yīng)用于車身NCS屮，并進行可調(diào)度性分析。
文獻(史停娜等，2011)在經(jīng)典EDF的基礎(chǔ)上引入模糊調(diào)度算法，提出了靜態(tài)的擴展EDF模糊調(diào)度算法，解決了經(jīng)典調(diào)度算法不能確定模糊時間優(yōu)先級的問題。文獻(梅智慧等，2014)結(jié)合了圖論思想和EDF調(diào)度算法的優(yōu)點對系統(tǒng)的帶寬分配進行了優(yōu)化，存效的降低了動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的時延和數(shù)據(jù)流量。
2 NCS基礎(chǔ)知識介紹
2.1NGS的結(jié)構(gòu)
NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，NCS由被控對象、傳感器、控制器、執(zhí)行器以及通信網(wǎng)絡(luò)組成。在NCS中，傳感器向控制器和控制器向執(zhí)行器的數(shù)據(jù)傳輸都是通過網(wǎng)絡(luò)完成。由于多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點共用同一網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸過程不可避免的存在網(wǎng)絡(luò)時延。其中，rse表示傳感器向控制器傳輸數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的時延，r"表示控制器向執(zhí)行器傳輸數(shù)據(jù)時產(chǎn)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(zhí)行器以及通信網(wǎng)絡(luò)所組成。NCS在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了通信網(wǎng)絡(luò)，使得其研究變得更為復(fù)雜。由于網(wǎng)絡(luò)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(xié)議
通信協(xié)議是NCS在網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)，決定了 NCS的所具有的網(wǎng)絡(luò)特性，如網(wǎng)絡(luò)時延特性、各節(jié)點傳輸信號優(yōu)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(xiàn)中必須了解這些網(wǎng)絡(luò)的具體特征，才能使所設(shè)計的控制算法更好的滿足系統(tǒng)的性能要求。在NCS中，常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包括兩類，即隨機訪問和輪詢服務(wù)。在隨機訪問的網(wǎng)絡(luò)中，主要包括以太網(wǎng)(CSMA/CD)和CAN總線(CSMA/AMP)，其中CAN總線是具有優(yōu)先級的網(wǎng)絡(luò)。
在輪詢服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中，NCS通過傳遞令牌的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的信息傳如令牌總線和令牌環(huán)。節(jié)點驅(qū)動方式是指NCS中各節(jié)點的工作方式，主要包括時間驅(qū)動和事件驅(qū)動。時間驅(qū)動是采用該工作方式的節(jié)點定期完成所設(shè)定的任務(wù)。
事件驅(qū)動是指采用該工作方式的節(jié)點被特定的事件(如接收到數(shù)據(jù)包等)觸發(fā)后便立即執(zhí)行所設(shè)定的任務(wù)。在NCS中，根據(jù)各節(jié)點工作特點對其設(shè)置相應(yīng)驅(qū)動方式。傳感器需要周期性的進行采樣，一般采用時間驅(qū)動;控制器和執(zhí)行器在接收到有效信息后需要進行相應(yīng)處理，一般采用事件驅(qū)動(王巖等，2009)。
3基于死區(qū)調(diào)度的NCS.........10
3.1多個回路共享同一網(wǎng)絡(luò)的NCS.........10
3. 2 NCS中的死區(qū)調(diào)度.........10
3.3死區(qū)調(diào)度研究的不足.........11
3.4新的死區(qū)調(diào)度方法.........11
3.5釆用方法1的死區(qū)調(diào)度方法.........12
3. 6釆用方法2的死區(qū)調(diào)度方法.........14
3.7基于死區(qū)調(diào)度的NCS流程.........14
3.8新的死區(qū)調(diào)度方法的特點.........15
3.9本章小結(jié).........16
4死區(qū)調(diào)度方法仿真研究.........17
4.1仿真軟件介紹.........17
4.2仿真參數(shù)設(shè)置.........17
4. 3未采用死區(qū)調(diào)度.........18
4. 4采用方法1的死區(qū)調(diào)度.........22
4.5采用方法2的死區(qū)調(diào)度.........29
4.7本章小結(jié).........37
5死區(qū)調(diào)度方法性能研究.........38
5.1網(wǎng)絡(luò)丟包.........38
5.2階躍干擾.........40
5.3本章小結(jié).........42
5死區(qū)調(diào)
度方法性能
研究死區(qū)調(diào)度方法的仿真結(jié)架表明，在網(wǎng)絡(luò)帶寬資源不足時，本文提出的兩種死區(qū)調(diào)度方法能夠有效性提升系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量。為進一步分析兩種死區(qū)調(diào)度方法的控制效果，本章將在不同的仿真環(huán)境下對其進行研究。
5.1網(wǎng)絡(luò)丟包
當NCS存在數(shù)據(jù)丟包時，由于某些數(shù)據(jù)包不能到達目標節(jié)點(如控制器、執(zhí)行器等)，將導(dǎo)致各節(jié)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(qū)調(diào)度方式是否能夠在系統(tǒng)存在丟包的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下保持良好的控制效果，本節(jié)對存在數(shù)據(jù)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(xiàn)階躍時，各控制回路存在超調(diào)量和時延等情況，但各控制回路系統(tǒng)輸出仍能夠較好的跟蹤參考信號。與未采用死區(qū)調(diào)度時(圖6至圖8)相比，NCS的控制性能顯著提升。
總結(jié)
在網(wǎng)絡(luò)帶寬資源受限的情況下，設(shè)計合理的調(diào)度策略能夠減少NCS中的網(wǎng)絡(luò)沖突，改善網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量，進一步提高NCS的綜合應(yīng)用性能。因此，本文設(shè)計了兩種死區(qū)調(diào)度方法對網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)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(wǎng)絡(luò)調(diào)度的角度出發(fā)，對NCS調(diào)度方法進行了綜述，并指出各種調(diào)度方法的特點。
2.介紹了NCS中死區(qū)調(diào)度的概念，根據(jù)現(xiàn)有死區(qū)調(diào)度方法所存在的不足，提出了兩種死K調(diào)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(qū)調(diào)度方法的可行性。從系統(tǒng)輸出響應(yīng)、網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包流量等方面說明了兩種死區(qū)調(diào)度方法能夠有效的緩解網(wǎng)絡(luò)沖突、降低網(wǎng)絡(luò)時延、提高系統(tǒng)的控制性能。通過對死區(qū)調(diào)度方法進行對比分析，說明了本文所提出的兩種死區(qū)調(diào)度方法的有效性。
4.分別在存在網(wǎng)絡(luò)丟包和階躍干擾的環(huán)境下，對兩種死區(qū)調(diào)度方法進行了研究。仿真結(jié)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)
【基于傳感器和控制器節(jié)點的NCS死區(qū)調(diào)度研究論文】相關(guān)文章：
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