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基于调度的网络化控制系统

摘要:网络化控制系统NCSs(NetworkedControlSystems)是基于网络的分布式控制系统，具有强实时性。本文分析了网络控制系统的特点，网络时延与控制系统性能间的关系，分类介绍了当前网络化控制系统的研究方法、分析角度及策略。
关键词:网络化控制系统；网络时延；调度
NetworkedControlSystemsbasedonScheduling
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Abstract:TheNCSs(NetworkedControlSystems)isanetwork-baseddistributedcontrolsystemwithstrongreal-timeperformance.Inthispaper,thecharacteristicsoftheNCSsareintroducedandtherelationshipbetweenthenetwork-induceddelayandthecontrolsystemperformanceisdiscussed.Recentnetworkedcontroltechniquesandstrategiesarepresentedandtheirstate-of-artsarediscussedseparately.
Keywords:networkedcontrolsystems;network-induceddelay;scheduling

引言
网络化控制系统是基于网络的分布式控制系统，系统通过网络构成控制回路，通常包括多个子控制系统[1]，图1为网络化控制系统的结构框图。网络控制系统利用串行通信网络在分布化的设备之间进行信息和控制信号的传输，目前普遍应用的现场总线与工业以太网构成的系统都属于网络化控制系统。

图1NCSs的系统结构图

网络化控制系统具有严格的实时性要求，要求控制任务的信息传递必须在一定的通信时间内完成，网络是信息传输的通道，对于网络通道而言，每次只能够在网络中传输一种设备的信息，如控制系统中的传感器信息、控制器输出命令等，由于网络带宽的限制以及系统对传输时间的截止期要求，系统的实时性能将会受到影响，因此网络控制系统的性能不仅取决于常规控制系统的控制算法设计，而且取决于共有通信网络资源的调度，所以要对系统中各个节点进行传输分配。
目前网络化控制系统的研究往往将网络通信调度与系统控制分开进行，而对于网络控制系统而言这两者又是一个整体，必须同时考虑，才能得到理想的控制性能与高的网络利用率。将调度方法与系统控制结合起来进行研究是一个较新的研究领域，有关这方面研究才刚刚起步[2,3]。
本文首先分析网络化控制系统的特点，网络时延与控制系统性能间的关系，而后介绍当前网络化控制系统的研究方法、分析的角度及策略，最后对当前的研究现状进行了分析和评述。

2网络化控制系统的特点
NCSs是网络技术与工业应用相结合的产物，是计算机控制系统更深层次的发展。与分层控制系统相比,具有如下特点[4,5]：
(1)NCSs支持总线型、星型和树型等多种拓扑结构，其结构层次少，而且系统更加稳定；
(2)分层控制系统的控制功能由中央控制器完成，其它设备只是信号的提供者和执行者，不具有直接控制功能；而NCSs的各节点都是智能体，具有计算、分析、处理和通信能力，既可实现分散的局部控制又可通过网络通信完成各节点间的协调。

3网络时延与控制性能间的关系
网络控制系统中时延的位置分布如图2所示。

图2NCSs时延分布
图中采样计算时延为，传感器到控制器的时延为，控制器执行运算产生的时延，控制器到执行器的时延，执行器计算时延；这样，整个控制回路总的时延可以表示为，其中代表第个采样时刻。计算时延取决于节点负荷、调度等，它们与和相比，数值和变化都很小。通常，可忽略不计，而可包括在内一起考虑，对整个系统的分析是等价的[6,7]。对于确定了控制策略的控制器而言，这几类时延可以捆绑在一起进行分析，即。
网络有限的通信带宽、承载能力和服务能力使数据的传输可能经历时延、丢包以及多包传输等诸多问题，其中时延是造成系统性能的下降的最基本因素。从控制的角度看，网络控制系统中的时延将使系统相位滞后，大大降低控制系统的性能，例如使系统的上升时间增大、超调量增大、稳定时间变长等甚至导致系统不稳定[8,9]。即使系统仍然保持稳定，稳定区域也会显著减小。从调度的角度看，时延将使信息不能准时到达，丢失截止期，甚至产生多米诺效应。因此，在系统设计时如果不考虑这些因素，就会达不到期望的控制要求。

4网络化控制系统的调度方法
网络化控制系统由一组基于网络的闭环控制系统构成，每一个控制回路通过网络传送系统信息，传输信息主要包括周期性与非周期信息，其中周期性通信的实时性对于系统的性能来说最为重要。
4.1周期