基于有限带宽的NCS模糊动态反馈调度算法研究

要优于 EDF 算法，能够更有效的提高网络控制系统的控制质量。
关键词 网络控制系统 模糊控制 调度 有限带宽 动态反馈
中图法分类号 TP273. 4
文献标志码 A
网 络 控 制 系 统 （ NCS，Networked Control Systems） 是指网络中的传感器节点、控制器节点和执行 器节点通过共享通信网络相互连接而构成的实时 分布式闭 环 反 馈 控 制 系 统［1］。 与 传 统 的 点 对 点 式 的控制系统 相 比，网 络 控 制 系 统 是 一 个 开 放 的、共 享的通信网络，各节点之间可以借助网络这一通信 介质相互 交 换 信 息，实 现 资 源 共 享，协 调 操 作。 更 具有连接线 少、安 装 和 维 护 方 便、可 远 程 操 作 与 控 制及系统可靠性高等诸多优点［2，3］。当采用无线网 络时，NCS 甚至还可以实现某些具有特殊用途的控 制系统，这也是传统的点对点式结构的控制系统所 无法企及的。NCS 由于其相比传统控制系统所独 具的显著 特 点，越 来 越 受 到 专 家 和 学 者 们 的 青 睐， 且取得了不 少 的 研 究 成 果，例 如，其 已 广 泛 应 用 在 远程医疗、智能交通、航空航天、制造过程以及国防 等领域。
地存在时 延、丢 包 以 及 时 序 错 乱 等 问 题。这 些 问 题是恶化系统性能以及导致 NCS 不稳定的重要原 因，而且由于 这 些 问 题 的 存 在 使 得 在 传 统 控 制 理 论上已取得的成果很难直接应用于对 NCS 的分析 和设计。
近年来，众多 学 者 致 力 于 有 限 带 宽 的 NCS 的 研究，带宽受 限 是 影 响 网 络 控 制 系 统 运 行 的 一 个 非常重要的 因 素，如 何 分 配 有 限 的 网 络 资 源 或 设 计调度器以 达 到 良 好 的 控 制 性 能，成 为 当 前 研 究 的 热 点 之 一 。 与 此 同 时 ，在 网 络 控 制 系 统 中 ，各 个 控制回路的性能不仅仅依赖于控制算法的设计， 而且也受 限 于 共 享 网 络 资 源 的 调 度［4］。因 此，调 度算法在网络控制的闭环系统中起着举足轻重的 重要作用。
第 12 卷 第 32 期 2012 年 11 月 1671—1815（ 2012） 32-8547-06
科学技术与工程
Science TechnoLeabharlann ogy and Engineering
Vol. 12 No. 32 Nov． 2012 2012 Sci. Tech. Engrg.
基于有限带宽的 NCS 模糊动态 反馈调度算法研究
然而 ，网 络 并 不 是 一 种 极 其 可 靠 的 通 信 介 质 。 也正是因为受到了网络带宽和服务能力等因素的 限制，直接导 致 了 数 据 包 在 网 络 传 输 中 不 可 避 免
2012 年 7 月 16 日收到 第一作者简介： 汪佐锽（ 1986—） ，男，汉族，湖北石首市人，硕士研究 生，研究方向： 网络控制技术。E-mail： sswangzuohuang@ sina． com。
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科学技术与工程
12 卷
深入研究。文献［5］针对具有通信带宽限制的网络 通道，建立 的 反 馈 的 重 置 控 制 系 统，在 不 考 虑 空 采 样和信息拒收等情况下，讨论了时变系统的建模与 镇定问题。文献［6］在不考虑多包传输以及忽略网 络延时和计算延时的影响下，针对网络控制系统的 带宽约束问题，提出一种基于系统状态的状态依赖 泊松过程决定的随机通信逻辑。文献［7］在 文 献 ［6］的基础上设计的具有周期通信逻辑的网络控制 系统的结构，是针对具有线性不确定对象的网络控 制系统的带宽约束问题而提出的，而对于线性时变 不确定对 象，有 待 进 一 步 研 究。 文 献［8］将 均 匀 量 化引入带宽受限的控制系统，并对带宽的上下界进 行了研 究，但 是 忽 略 了 丢 包 对 系 统 的 影 响。文 献 ［9］分析了实时控制任务的控制性能在不同控制阶 段与处理器利用率需求间的关系，提出了一种实时 控制任务的模糊反馈调度系统，但针对的只是离散 单回路实 时 控 制 系 统。 文 献［10］提 出 的 基 于 反 馈 机制的网络运行状态的动态调度器，其通过实时调 节控制系统的采样周期，以适应网络中信息流的变 化。文献［11］针 对 网 络 负 载 加 重 时 会 加 速 网 络 资 源的消耗，提出了流动式死区反馈调度方法。文献 ［12］为了改善系统的控制品质，提出了基于 PID 死 区反馈调 度 方 法。 文 献［13］在 研 究 时 变 采 样 和 反 馈控制相结合的同时，构建了 NCS 的闭环调度模 型，提高系统的实时性能。
汪佐锽
（ 大连交通大学电气信息学院，大连 116028）
摘 要 带宽受限是影响网络控制系统正常运行的一个重要因素。将模糊控制理论引入反馈控制实时调度框架体系。提出
了基于有限带宽分配的模糊动态反馈调度算法。该算法综合考虑了系统中各控制回路的控制偏差和偏差变化率。通过动态
调节各控制回路的优先级，在满足系统的实时性要求的同时，能使网络具有较好的服务质量。仿真结果证明了所设计的算法
网络调度是网络控制系 统 中 的 基 本 问 题 之 一，尤其是在 实 时 性 要 求 较 高 且 带 宽 有 限 的 系 统 中，网络调度 的 优 劣 对 控 制 性 能 的 影 响 起 着 决 定 性的作用。现将模糊控制理论引入反馈控制实时 调度框架体 系，提 出 了 基 于 有 限 带 宽 分 配 的 模 糊 动态反馈调度算法。该算法综合考虑了系统中各 控制回路的 控 制 偏 差 和 偏 差 变 化 率，通 过 动 态 调 节各控制回 路 的 采 样 优 先 级，可 以 满 足 系 统 的 实 时性要求，使 网 络 具 有 较 好 的 服 务 质 量。仿 真 结 果证明了该方法能够更有效地提高网络控制系统 的控制质量。
在过去的几十年中，以智能控制理论和技术为 核心的研究成果，已经可以构造出适用于不同领域 的智能控制系统。模糊控制作为智能控制的一个 重要的分支，将模糊控制理论引入网络控制系统的 研究，也取得了一定的成果。模糊调度算法既可是 静态的，也可是动态的，其兼顾二者之性能，具有更 强的适用性。
随着研究的深入，针对有限带宽的控制调度方 法的研究和基于反馈控制的实时调度方法应用于 软实时系统的探索已取得了较大的进展，但仍有待