专利名称：一种适用于网络控制系统的死区调度方法
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I所示；而图I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I)当I X-Xsent I彡δ时，发送X，并将X的值赋给Xsent ；2)当 IX-XsentI < δ 时，不发送 X.式中Χ为节点准备发送到网络中的数据；Xsmt为节点上一次发送到网络中的数据；S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 Ns.在连续控制系统中，IAE可定乂为IAE=( ) - yM(I)式中ydes(t)为系 统期望输出，yact (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
(I)改写成以五=1>,[3^(0-少邮⑷](2) k=l式中=Iii为系统采样步长，tk为采样时刻.系统的控制性能质量QoC(Quality of Control)与累积误差绝对值IAE有如下的关系
「*η—JQoC = ——=ih)- yaa (h)](3)
La=i.IAE的值越小，即累积的误差绝对值越小，说明回路的控制性能越好.网络节省率Ns的定义为Ns = H(4)
total式中Pt(rtal为无死区时应发送数据包数量；Pac;t为有死区时实际发送的数据包数量·随着死区δ的增加，节点发送到网络中的数据量就会减少，累积误差绝对值IAE将会增加，系统的性能就会变差.NCS的性能优化要求平衡数据传输量的减少，通过增加死区δ但需确保不超过IAE的设计极限来选择δ的最优值.系统性能的好坏不仅与死区的大小有关，而且还与死区设置的位置有关.基于上述死区调度方法，国内外学者做了大量的研究工作，并取得了一定的成绩，但是仍存在以下问题尚未很好地解决I)虽然死区调度方法定义了数据包传输的判定规则，但尚没有对δ的选择做出具体与明确的定义，尤其是未从确保系统在同一个网络中，直接以满足共享该网络的多个NCS性能质量指标为目标来确定δ的选择问题.运用死区调度算法，死区阀值的选择一般是通过多次仿真来确定.但是，通过仿真来确定死区的大小，通常很难找到死区S的最优值，并且在确定死区S的最优值后，系统的结构原则上是不能更改的.一旦网络上有节点的增减，网络流量发生较大的变化，就需离线重新寻找死区δ的最优值，因而造成无法适应当今NCS中，带宽限制和工作负荷节点变化的状况.2)随着死区δ的增加，节点发送到网络中的数据量就会减少，IAE指标将会增加，系统的性能就会变差.然而，IAE究竟增加到什么程度，系统的性能就会变差，并且性能会变差到什么程度，尚不得而知，都只能说明其变化趋势，即IAE只是一个定性指标，是一个累积性的指标.3)死区调度算法设置在传感器节点中实现，采样将传感器节点中数据的采集和发送两个过程分开进行，只有采集到的数据不落在死区范围之内，才被允许发送至控制器节点.这样能减少整个网络中传输的数据包个数，降低一些不必要的数据传输，降低网络的繁忙程度，减轻网络的负荷.但是，由于控制器节点收到的被控对象状态信息并不是完整的信息，因而造成各个NCS控制回路的控制品质会不可避免地受到一定程度的影响.4)为了改善传感器节点中使用死区采样可能会丢失一部分被控对象状态有效信息的问题，采用死区反馈网络调度方法来动态调整死区δ的大小可改善NCS的控制品质.但是，由于反馈网络调度器作为一个独立网络节点，需与系统中各个NCS的控制器节点和传感器节点进行实时通信一方面占用节点资源，与其它节点之间通信时还会额外占用网络带宽资源；另一方面还可能由于网络负载波动等原因导致的传输时延直接影响调度算法实施的实时性与有效性，并且反馈网络调度器的故障将导致整个NCS性能急剧下降，甚至瘫痪.同时，反馈网络调度方法在调整死区δ的大小时，仍然使用IAE定性指标.因此，寻找求取死区δ最优值的简单方法，能直接表征控制系统性能质量的新的定量指标与δ的关系，已成为多NCS中死区调度算法研究需要解决的一个关键技术问题.
发明内容
为了解决上述关键技术问题，本发明提出一种适用于NCS的死区调度方法.本发明的目的针对NCS死区调度算法中，死区阀值δ最优值难以求取的问题，本发明提出一种确保系统满足在同一个网络中，共享该网络的多个NCS性能质量指标为目标来确定δ的新方法，用以解决在信息时变的网络环境中NCS的控制与调度的协同设计问题.实现网络资源的在线动态分配，提高NCS应对环境变化的能力.本发明采用的方法是第一步在控制器节点中，定义偏差e(k)为e(k) =ydes(k)-Jact (k);同时，定义偏差变化率 ec(k)为ec(k) = e(k)-e(k-l).第二步选定偏差e (k)和偏差的变化率ec (k)作为双重约束来共同决定控制器节点中，数据包向执行器节点发送的条件.且偏差e(k)(即死区)的阀值定义为参数δ，同时偏差变化率ec(k)的阀值定义为参数Y.第三步以各个NCS的输出进入其稳态值的±5% (或±2% )波动范围为目标，直接设定各个NCS的死区阀值δ的值为0.05(或O. 02)，偏差变化率ec(k)的阀值Y为O. 025.第四步当|e(k)| < δ且|ec(k)| < Y时，控制器节点不发送数据包·此条判定规则表明当系统已进入稳定状态时(其输出进入其稳态值的±5%(或±2% )波动范围)，控制器节点无需通过共享网络向执行器节点发送新的数据包.第五步当|e(k) I ^ δ或| ec (k) | ^ Y时,控制器节点发送数据包·此条判定规则表明系统正处于过渡过程状态中，控制器节点需要通过共享网络向执行器节点发送新的数据包，以强化控制作用，确保系统尽可能快地结束过渡过程状态.本发明的适用范围本发明适用于共享同一个网络的多个NCS，在控制器节点中实施动态死区调度.本发明的特征在于该方法包括以下步骤I、当传感器节点被周期采样信号触发时，将采用方式A进行工作；
2、当传感器节点将被控制对象实际输出信号yac;t(k)通过共享网络向控制器节点传输时，将采用方式B进行工作；3、当控制器节点被yac;t(k)信号触发时，将采用方式C进行工作；4、当控制器节点将控制信号u (k)通过共享网络向执行器传输时，将采用方式D进行工作；5、当执行器节点被u(k)触发时，将采用方式E进行工作；方式A的步骤包括Al :传感器节点工作于时间驱动方式，其触发信号为周期采样信号；A2 :传感器节点被触发后，对被控对象G(S)的输出信号yac;t(k)进行采样；方式B的步骤包括BI :传感器节点将采样得到的信号yac;t(k)，通过共享网络向控制器节点传输；B2 :信号yac;t(k)将经历网络传输时延τ sc后，才能到达控制器节点.方式C的步骤包括Cl :控制器节点工作于事件驱动方式；C2 :控制器节点被信号yac;t (k)所触发； C3 :在控制器节点中，采用系统给定信号ydes(k)减去被控制对象实际输出信号yac;t(k)，得到系统的偏差e(k)，即e(k) = ydes(k)-yart(k)，同时也得到系统偏差的变化率ec (k),即 ec (k) = e (k) _e (k_l)；C4 :针对系统偏差e(k)和偏差变化率ec (k)，控制器C (s)根据事先选定的控制策略(常规控制或智能控制)，实施其控制运算，并得到控制信号u (k)；C5:若系统满足死区调度算法判定规则I :即当|e(k)| < O. 05且| ec (k)< 0.025时(对应各个NCS回路的输出进入其稳态值的±5%波动范围)；或当|e(k)<0.02且|ec(k) I < 0.025时(对应各个NCS回路的输出进入其稳态值的±2%波动范围)，即系统已进入稳定状态时，控制器节点无需通过共享网络再向执行器节点发送新的数据包.此时控制器节点将处于空闭的状况，等待下一个采样数据yac;t(k+l)的到来，系统将返回方式A进行工作.此时，可节省网络带宽资源，同时系统既稳定又满足稳态性能质量要求；C6 :若系统满足死区调度算法判定规则2 :即当e(k) |彡O. 05或|ec(k) |彡O. 025时；或当|e (k) I彡O. 02或|ec (k) I彡O. 025时，即系统正处于过渡过程状态中，控制器节点需要通过共享网络向执行器节点发送新的数据包，以强化控制作用，确保系统尽可能快地结束过渡过程状态，系统将进入方式D进行工作；方式D的步骤包括Dl :控制器节点将控制信号u(k)，通过共享网络向执行器节点传输；D2 :控制信号u(k)将经历网络传输时延τ Μ后，才能到达执行器节点；方式E的步骤包括El :执行器节点工作于事件驱动方式；Ε2 :执行器节点被控制信号u (k)所触发；E3 :将u(k)作为执行驱动信号，对被控对象G(S)实施网络化控制.本发明具有如下优点
I、本发明提出的动态调度方法是以满足NCS的控制性能质量(QoC)为最终目标，以各个NCS的输出(被控变量)进入其稳态值的±5% (或±2% )波动范围，以及偏差的动态变化率作为判定各个NCS中，控制器节点是否需要通过共享网络向执行器节点传送数据的判定依据，进而可通过动态调整网络负载的大小以确保各个NCS的控制性能质量.各个NCS中的控制器节点，具有独自根据其控制性能质量和整个网络状况，自主与自适应地调整负载大小的能力，以确保整个网络带宽的有效利用，强化了控制与调度的协同设计.2、本发明提出的动态调度方法是一种实时、在线和动态的调度方法.无需对网络的运行状况进行预测、估计或辨识(因为目前要想准确地估计网络负载的大小与网络状况等参数是非常困难的)，与静态调度算法(大多是离线实现，难以适应网络中信息流的时变性与不确定性)、或动态调度算法(算法复杂，通常需要较大的开销)、或通过改变采样周期(采样率的改变会在系统中引起抖动，控制算法参数需要重新整定，耗费额外的计算时间)、或反馈网络调度方法(需要独立设置反馈网络调度器节点)，一方面占用网络节点资源，与其它节点之间通信时还会额外占用网络带宽资源；另一方面还由于网络负载波动等原因导致的传输时延直接影响调度算法实施的实时性与有效性，并且反馈网络调度器的故障将导致整个NCS性能急剧下降，甚至造成系统瘫痪等方法相比较，新的调度方法更为简单，其物理意义更为清晰明确，并更容易实现.3、本发明提出的动态调度方法的使用与网络协议的选择无关既可用于确定性网络，也可用于非确定性网络；既可用于有线网络，也可用于无线网络；或有线(无线)异构(混杂)的复杂网络·4、本发明提出的动态调度方法的使用与控制器节点中，控制策略的选择无关既可用于采用常规PID控制器构成的NCS，也可用于采用各种先进(智能)控制器构成的NCS.5、本发明提出的动态调度方法无需额外增加网络调度器，在各个NCS中的控制器节点就足以实施，既节省网络带宽资源，又节省节点资源，因而更具有工程实际应用价值.
图I为共享同一网络资源的多回路NCS结构框图.图2为单回路NCS的典型结构·在图I所示共享同一网络资源的多回路NCS结构框图中，有η个相互独立的NCS共享同一网络资源，每一个NCS的控制回路都由一个被控对象、一个传感器节点、一个控制器节点和一个执行器节点所组成.其中传感器节点采用时间驱动方式进行工作，触发时间为采样周期，并对被控对象实施周期采样，然后将采样信息通过共享网络发送到控制器节点；控制器节点采用事件驱动方式进行工作，并计算出控制信号，然后将控制信号通过共享网络向执行器节点发送；执行器节点采用事件驱动方式进行工作，被控制信号所触发，其节点输出信号改 变被控对象状态，实现对被控对象的控制作用.在图2所示的单回路NCS的典型结构中，系统包含给定信号ydes，被控对象实际输出信号yac;t，被控对象G (S)，反馈通路网络时延e ，控制器C(S)和前向通路网络时延单元，需要说明的是此处的前向通路网络与反馈通路网络与其它η-I个相互独立的NCS共享的是同一个网络带宽资源.
具体实施例方式下面将通过参照附图I和附图2来详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述特征和优点.需要说明的是，本发明所提出的适用于网络控制系统的死区调度方法，是置于共享同一个网络资源的各个NCS控制回路的控制器节点中加以实现的.具体实施步骤如下所述第一步工作于时间驱动方式的各个NCS控制回路的传感器节点在其各自采样时间，对其相应的被控对象的输出值进行周期采样，并将其采样所得的被控对象实际输出信 号通过共享网络，向其对应的各个NCS控制回路的控制器节点传输；第二步工作于事件驱动方式的各个NCS控制回路的控制器节点，被通过反馈网络通路传输过来的被控对象实际输出信号所触发，并将其各个NCS控制回路的给定值减去其实际输出信号值，得到其对应的系统偏差值e(k)(即e(k) = Ydes (k)-yact (k)),同时将本次偏差值与上一次偏差值相减，得到系统偏差的变化率ec(k)(即ec(k) =e(k)-e(k-l))；各个NCS控制回路的控制器节点针对其系统偏差e (k)和其偏差变化率ec (k)，控制器C (s)根据事先选定的控制策略(常规控制或智能控制)，实施其控制运算，并得到各个NCS控制回路的控制信号u (k)；第三步各个NCS控制回路的控制器节点，将对其偏差值e(k)和偏差的变化率ec(k)进行判定，以确定控制器节点是否需要通过共享网络向其对应的执行器节点发送控制信号u (k)，其死区调度算法判定规则为当|e(k) I <0.05且| ec (k) | < O. 025时(对应各个NCS控制回路的输出进入其稳态值的±5%波动范围)；或当|e(k) I <0.02且|ec(k) | < O. 025时(对应各个NCS控制回路的输出进入其稳态值的±2%波动范围)，即系统已进入稳定状态时，控制器节点无需通过共享网络向其对应的执行器节点发送新的数据包，此时控制器节点将处于空闭的状况，等待下一个采样数据yac;t(k+l)的到来，系统将返回第一步进行工作.此时，可节省网络带宽资源，同时系统既稳定又满足稳态性能质量指标；当I e (k) I 彡 O. 05 或 | ec (k) | 彡 O. 025 时；或当 | e (k) | 彡 O. 02 或 | ec (k) | 彡 O. 025时，即系统正处于过渡过程状态中.此时各个控制器节点需要通过共享网络向其对应的执行器节点发送控制信号u (k)，以强化控制作用，确保系统尽可能快地结束过渡过程状态，系统将进入第四步进行工作；第四步工作于事件驱动方式的各个NCS控制回路的执行器节点，被通过反馈网络通路传输过来的各控制信号u (k)所触发，将u (k)作为执行驱动信号，对其被控对象实施网络化控制.第五步返回第一步·以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内.本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1. 一种适用于网络控制系统的死区调度方法，其特征在于该方法以满足各个网络控制系统的输出进入其稳态值的±5% (或±2% )波动范围为目标,直接在各个网络控制系统的控制器节点中，设定其死区阀值S的值为0.05(或0.02)，偏差变化率ec(k)的阀值Y为0.025，当|e(k) I < 6且|ec(k) I < y时，表明各个网络控制系统的输出已进入其稳态值的±5% (或±2% )波动范围，控制器节点无需再通过共享网络向其执行器节点发送新的数据包，可节省网络带宽资源，提高网络带宽利用率，系统既稳定又满足稳态控制性能质量要求；当|e(k) I≥6或|ec(k) I≥y时，表明各个网络控制系统的输出正处于过渡过程中，控制器节点需要通过共享网络向其执行器节点发送新的数据包，以强化控制作用，确保系统尽可能快地结束过渡过程状态。
全文摘要
一种适用于网络控制系统的死区调度方法，属于网络控制系统(NCS)技术领域.本发明以确保系统满足共享同一网络的多个NCS输出进入其稳态值的±5％或±2％波动范围为目标，选取各个NCS死区阀值δ为0.05或0.02，偏差变化率ec(k)阀值γ为0.025，以e(k)和ec(k)作为双重约束来确定控制器节点是否需要向执行器节点发送数据包的条件.当|e(k)|＜δ且|ec(k)|＜γ时，表明系统已进入其稳定状态，控制器节点无需通过共享网络向执行器节点发送新的数据包；当|e(k)|≥δ或|ec(k)|≥γ时，表明系统正处在过渡过程中，控制器节点需要通过共享网络向执行器节点发送新的数据包.采用本发明可节省网络带宽资源，提高带宽利用率，同时使系统既稳定又满足稳态性能质量要求。
文档编号H04L12/56GK102710515SQ201210171259
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者任佳, 冯亚沛, 孟祥宇, 杜锋, 郭成, 雷榰 申请人:海南大学