[发明专利]一种适用于网络控制系统的死区调度方法

说明书

技术领域

本发明涉及网络控制系统，尤其涉及在带宽资源有限的多个网络控制系统中，控制与调度的协同设计方法，属于网络控制系统技术领域. 

背景技术

在分布式控制系统中，传感器与控制器，控制器与执行器之间通过实时通信网络构成的闭环反馈控制系统称为网络控制系统(Networked control systems，简记为NCS). 

NCS与传统的点对点结构的控制系统相比，具有成本低、易于信息共享、易于扩展维护、灵活性大等优点，近年来被广泛应用于工业过程控制中. 

随着NCS研究的不断深入，调度与控制协同设计的思想逐渐引起研究者的关注与重视.NCS的总体性能不仅与控制策略有关，还与网络带宽资源的合理使用和调度算法密切相关.尽管NCS的理论方法与应用已经取得了较大的发展，但可用网络带宽资源受限的问题在NCS中广泛存在，且并未得到较好的解决.从通信技术的角度来看，在典型NCS应用中总线网络带宽往往是相当有限的；从应用需求的角度来看，如今的NCS往往工作于动态环境下，网络负载呈现出更多的时变特性.网络带宽受限和负载可变的直接后果就是可用资源的不确定，在时态特性上则表现为不可预测的通信时延、丢包和抖动，并最终影响控制质量(Quality ofControl，QoC)和网络服务质量(Quality ofService，QoS)，甚至导致系统不稳定. 

网络调度是指网络中的节点在共享网络资源中发送数据，在发生碰撞时，规定数据包以怎样的优先级(顺序)和何时发送数据包的问题.其目的是对网络资源的需求进行尽可能合理地分配，使得整个NCS能够达到我们期望的性能要求.目前研究的网络调度大多集中在应用层，应用层调度是上层的应用程序根据需求主动分配数据的发送顺序，发生在传感器节点、控制器节点和执行器节点之间传输数据的过程中. 

本发明所研究的共享同一网络资源的多回路NCS的结构如图1所示；而图1中，构成多回路NCS的单个NCS的典型结构如图2所示. 

NCS中信息的调度，按算法的动态特性可以分为三类：静态调度策略、动态调度策略和动静态混合调度策略.死区(Deadband)调度属于动态调度，是在满足控制系统性能要求的同时，通过对网络中的节点设置传输死区，控制访问网络的数据量，节省网络资源，主动丢弃一定数量的网络数据包，以减轻网络负载的大小，是保证控制系统性能稳定的方法之一. 

其基本方法为： 

1)当|X-X_sent|≥δ时，发送X，并将X的值赋给X_sent； 

2)当|X-X_sent|＜δ时，不发送X. 

式中：X为节点准备发送到网络中的数据；X_sent为节点上一次发送到网络中的数据；δ为死区阀值. 

通常衡量添加死区调度算法后，系统性能有两个指标：误差绝对值的积分IAE(Integral of Absolute Error)和网络节省率N_s. 

在连续控制系统中，IAE可定义为： 

IAE=∫t0tf|ydes(t)-yact(t)|dt---(1)]]>

式中：y_des(t)为系统期望输出，y_act(t)为系统实际输出. 

由于NCS是一个连续与离散混杂的控制系统，采样信号是离散的.因此，可将式(1)改写成：