网络控制系统调度方法的研究

论文摘要

目前,网络控制系统已成为国际学术界研究的一个热点。网络控制系统是控制科学、计算机及网络技术的综合应用。网络资源的竞争及网络的时延赋予了传统的控制理论和方法新的含义和研究内容,对网络控制系统调度的研究是其中重要的内容之一。一方面,体系开放、遍布全球的公用数据网络给网络控制系统带来了开放性、数字互连的特点,同时增强了系统的可靠性和容错能力；另一方面,也带来了所不希望的网络时延等。本文主要是在控制与调度协同设计的基础上,对网络控制系统的调度方法进行了研究,主要工作如下：首先,对网络控制系统的一些基本概念、调度问题及调度方法的研究现状做了一个比较详细的综述。对控制网络的基本性能,以及工业中常用的三种控制网络(以太网、控制网、设备网)的介质访问控制(Medium Access Control, MAC)协议进行了详细的分析,并对三种控制网络进行了比较；其次,对网络控制系统的调度做了介绍,分析了实时系统及其调度方法。引入TrueTime仿真工具箱,在搭建的MATLAB仿真平台上对单调速率(Rate Monotonic,RM)调度算法和最早时限优先(Earliest Deadline First, EDF)调度算法在网络传输速率不同的情况下分别进行仿真比较,验证它们各自的特点；接着,对网络控制系统的调度方法进行了分析,并针对EDF调度算法做了深入的研究,从EDF调度算法可调度性判定和分析入手,提出了非抢优EDF调度算法,又在此基础上做了更进一步的研究,提出了周期小于时限的EDF调度算法,并且都给出了仿真实例；最后,对网络控制系统调度与控制协同设计进行了初步的探索。为了既能满足控制系统的性能,又能优化网络调度,同时提高网络资源利用率,本文提出了网络控制系统调度的优化问题。在分析了系统采样周期对网络控制系统的影响的基础上,以优化网络控制系统性能为目标,以网络可调度性为条件,结合系统控制与网络调度,给出了网络控制系统的优化模型和采样周期的求取方法,并给出了优化实例。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景
• 1.2 网络控制系统概述
• 1.3 网络控制系统中的调度问题
• 1.4 网络控制系统调度方法的研究现状
• 1.5 论文的主要工作和内容安排
• 第二章 控制网络的基本问题
• 2.1 控制网络的性能分析
• 2.1.1 网络诱导时延
• 2.1.2 单包传输和多包传输
• 2.1.3 数据包的时序错乱
• 2.1.4 数据包丢失
• 2.1.5 节点的驱动方式
• 2.2 控制网络的介质访问
• 2.2.1 以太网（CSMA/CD）
• 2.2.2 控制网（令牌环和令牌总线）
• 2.2.3 设备网（CANBus）
• 2.2.4 三种控制网络的比较
• 2.3 本章小结
• 第三章 网络控制系统调度的基本问题
• 3.1 网络控制系统的调度概述
• 3.2 网络调度问题中几个基本概念
• 3.3 实时系统及其调度方法
• 3.3.1 实时系统概述
• 3.3.2 实时系统调度算法
• 3.4 TRUETIME仿真工具箱简介
• 3.4.1 实时内核模块TrueTime Kernel
• 3.4.2 网络模块TrueTime Network
• 3.5 控制器和对象的连接方式
• 3.6 网络控制系统仿真举例
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于CPU的网络控制系统的调度
• 4.1 基于CPU调度的基本思想
• 4.2 EDF调度算法的可调度性判定及实现
• 4.2.1 EDF调度算法的可调度性判定的基本思想
• 4.2.2 EDF调度算法的可调度性判定
• 4.2.3 EDF调度算法的实现
• 4.2.4 仿真举例
• 4.3 网络控制系统的EDF调度算法
• 4.3.1 非抢优EDF调度算法
• 4.3.2 非抢优EDF调度算法的可调度性判定
• 4.3.3 非抢优EDF调度算法实现
• 4.3.4 仿真举例
• 4.4 改进的网络控制系统的EDF调度算法
• 4.4.1 时限小于周期的非抢优EDF调度算法
• 4.4.2 时限小于周期的EDF调度算法的可调度性判定
• 4.4.3 时限小于周期的EDF调度算法的实现
• 4.4.4 仿真举例
• 4.5 网络控制系统的RM调度算法
• 4.6 本章小结
• 第五章 网络控制系统调度与控制的协同设计
• 5.1 协同设计的思想
• 5.2 采样周期的变化对控制器性能的影响
• 5.3 网络控制系统中调度的优化
• 5.3.1 具有网络时延的NCS性能分析
• 5.3.2 NCS采样周期的选取
• 5.4 仿真举例
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢