專利名稱：一種適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的死區(qū)調(diào)度方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，尤其 涉及在帶寬資源有限的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，控制與調(diào)度的協(xié)同設(shè)計(jì)方法，屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域.
背景技術(shù)：
在分布式控制系統(tǒng)中，傳感器與控制器，控制器與執(zhí)行器之間通過實(shí)時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Networked control systems,簡(jiǎn)記為NCS).NCS與傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)相比，具有成本低、易于信息共享、易于擴(kuò)展維護(hù)、靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中.隨著NCS研究的不斷深入，調(diào)度與控制協(xié)同設(shè)計(jì)的思想逐漸引起研究者的關(guān)注與重視.NCS的總體性能不僅與控制策略有關(guān)，還與網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的合理使用和調(diào)度算法密切相關(guān).盡管NCS的理論方法與應(yīng)用已經(jīng)取得了較大的發(fā)展，但可用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源受限的問題在NCS中廣泛存在，且并未得到較好的解決.從通信技術(shù)的角度來看，在典型NCS應(yīng)用中總線網(wǎng)絡(luò)帶寬往往是相當(dāng)有限的；從應(yīng)用需求的角度來看，如今的NCS往往工作于動(dòng)態(tài)環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載呈現(xiàn)出更多的時(shí)變特性.網(wǎng)絡(luò)帶寬受限和負(fù)載可變的直接后果就是可用資源的不確定，在時(shí)態(tài)特性上則表現(xiàn)為不可預(yù)測(cè)的通信時(shí)延、丟包和抖動(dòng)，并最終影響控制質(zhì)量(Quality ofControl, QoC)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量(Quality ofService, QoS),甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.網(wǎng)絡(luò)調(diào)度是指網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在共享網(wǎng)絡(luò)資源中發(fā)送數(shù)據(jù)，在發(fā)生碰撞時(shí)，規(guī)定數(shù)據(jù)包以怎樣的優(yōu)先級(jí)(順序)和何時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)包的問題.其目的是對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求進(jìn)行盡可能合理地分配，使得整個(gè)NCS能夠達(dá)到我們期望的性能要求.目前研究的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度大多集中在應(yīng)用層，應(yīng)用層調(diào)度是上層的應(yīng)用程序根據(jù)需求主動(dòng)分配數(shù)據(jù)的發(fā)送順序，發(fā)生在傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)的過程中.本發(fā)明所研究的共享同一網(wǎng)絡(luò)資源的多回路NCS的結(jié)構(gòu)如圖I所示；而圖I中，構(gòu)成多回路NCS的單個(gè)NCS的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示.NCS中信息的調(diào)度，按算法的動(dòng)態(tài)特性可以分為三類靜態(tài)調(diào)度策略、動(dòng)態(tài)調(diào)度策略和動(dòng)靜態(tài)混合調(diào)度策略.死區(qū)(Deadband)調(diào)度屬于動(dòng)態(tài)調(diào)度，是在滿足控制系統(tǒng)性能要求的同時(shí)，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)置傳輸死區(qū)，控制訪問網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，主動(dòng)丟棄一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，以減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小，是保證控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定的方法之一 ·其基本方法為I)當(dāng)I X-Xsent I彡δ時(shí)，發(fā)送X，并將X的值賦給Xsent ；2)當(dāng) IX-XsentI < δ 時(shí)，不發(fā)送 X.式中Χ為節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；Xsmt為節(jié)點(diǎn)上一次發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；S為死區(qū)閥值.通常衡量添加死區(qū)調(diào)度算法后，系統(tǒng)性能有兩個(gè)指標(biāo)誤差絕對(duì)值的積分IAE (Integral of Absolute Error)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)省率 Ns.在連續(xù)控制系統(tǒng)中，IAE可定乂為IAE=( ) - yM(I)式中ydes(t)為系 統(tǒng)期望輸出，yact (t)為系統(tǒng)實(shí)際輸出·由于NCS是一個(gè)連續(xù)與離散混雜的控制系統(tǒng)，采樣信號(hào)是離散的.因此，可將式
(I)改寫成以五=1>,[3^(0-少郵⑷](2) k=l式中=Iii為系統(tǒng)采樣步長(zhǎng)，tk為采樣時(shí)刻.系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量QoC(Quality of Control)與累積誤差絕對(duì)值IAE有如下的關(guān)系
「*η—JQoC = ——=ih)- yaa (h)](3)
La=i.IAE的值越小，即累積的誤差絕對(duì)值越小，說明回路的控制性能越好.網(wǎng)絡(luò)節(jié)省率Ns的定義為Ns = H(4)
total式中Pt(rtal為無死區(qū)時(shí)應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)包數(shù)量；Pac;t為有死區(qū)時(shí)實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量·隨著死區(qū)δ的增加，節(jié)點(diǎn)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量就會(huì)減少，累積誤差絕對(duì)值IAE將會(huì)增加，系統(tǒng)的性能就會(huì)變差.NCS的性能優(yōu)化要求平衡數(shù)據(jù)傳輸量的減少，通過增加死區(qū)δ但需確保不超過IAE的設(shè)計(jì)極限來選擇δ的最優(yōu)值.系統(tǒng)性能的好壞不僅與死區(qū)的大小有關(guān)，而且還與死區(qū)設(shè)置的位置有關(guān).基于上述死區(qū)調(diào)度方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，并取得了一定的成績(jī)，但是仍存在以下問題尚未很好地解決I)雖然死區(qū)調(diào)度方法定義了數(shù)據(jù)包傳輸?shù)呐卸ㄒ?guī)則，但尚沒有對(duì)δ的選擇做出具體與明確的定義，尤其是未從確保系統(tǒng)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，直接以滿足共享該網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)NCS性能質(zhì)量指標(biāo)為目標(biāo)來確定δ的選擇問題.運(yùn)用死區(qū)調(diào)度算法，死區(qū)閥值的選擇一般是通過多次仿真來確定.但是，通過仿真來確定死區(qū)的大小，通常很難找到死區(qū)S的最優(yōu)值，并且在確定死區(qū)S的最優(yōu)值后，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原則上是不能更改的.一旦網(wǎng)絡(luò)上有節(jié)點(diǎn)的增減，網(wǎng)絡(luò)流量發(fā)生較大的變化，就需離線重新尋找死區(qū)δ的最優(yōu)值，因而造成無法適應(yīng)當(dāng)今NCS中，帶寬限制和工作負(fù)荷節(jié)點(diǎn)變化的狀況.2)隨著死區(qū)δ的增加，節(jié)點(diǎn)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量就會(huì)減少，IAE指標(biāo)將會(huì)增加，系統(tǒng)的性能就會(huì)變差.然而，IAE究竟增加到什么程度，系統(tǒng)的性能就會(huì)變差，并且性能會(huì)變差到什么程度，尚不得而知，都只能說明其變化趨勢(shì)，即IAE只是一個(gè)定性指標(biāo)，是一個(gè)累積性的指標(biāo).3)死區(qū)調(diào)度算法設(shè)置在傳感器節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)，采樣將傳感器節(jié)點(diǎn)中數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送兩個(gè)過程分開進(jìn)行，只有采集到的數(shù)據(jù)不落在死區(qū)范圍之內(nèi)，才被允許發(fā)送至控制器節(jié)點(diǎn).這樣能減少整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包個(gè)數(shù)，降低一些不必要的數(shù)據(jù)傳輸，降低網(wǎng)絡(luò)的繁忙程度，減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷.但是，由于控制器節(jié)點(diǎn)收到的被控對(duì)象狀態(tài)信息并不是完整的信息，因而造成各個(gè)NCS控制回路的控制品質(zhì)會(huì)不可避免地受到一定程度的影響.4)為了改善傳感器節(jié)點(diǎn)中使用死區(qū)采樣可能會(huì)丟失一部分被控對(duì)象狀態(tài)有效信息的問題，采用死區(qū)反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法來動(dòng)態(tài)調(diào)整死區(qū)δ的大小可改善NCS的控制品質(zhì).但是，由于反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器作為一個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，需與系統(tǒng)中各個(gè)NCS的控制器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信一方面占用節(jié)點(diǎn)資源，與其它節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)還會(huì)額外占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源；另一方面還可能由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載波動(dòng)等原因?qū)е碌膫鬏敃r(shí)延直接影響調(diào)度算法實(shí)施的實(shí)時(shí)性與有效性，并且反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器的故障將導(dǎo)致整個(gè)NCS性能急劇下降，甚至癱瘓.同時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法在調(diào)整死區(qū)δ的大小時(shí)，仍然使用IAE定性指標(biāo).因此，尋找求取死區(qū)δ最優(yōu)值的簡(jiǎn)單方法，能直接表征控制系統(tǒng)性能質(zhì)量的新的定量指標(biāo)與δ的關(guān)系，已成為多NCS中死區(qū)調(diào)度算法研究需要解決的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題.

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述關(guān)鍵技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種適用于NCS的死區(qū)調(diào)度方法.本發(fā)明的目的針對(duì)NCS死區(qū)調(diào)度算法中，死區(qū)閥值δ最優(yōu)值難以求取的問題，本發(fā)明提出一種確保系統(tǒng)滿足在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，共享該網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)NCS性能質(zhì)量指標(biāo)為目標(biāo)來確定δ的新方法，用以解決在信息時(shí)變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中NCS的控制與調(diào)度的協(xié)同設(shè)計(jì)問題.實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的在線動(dòng)態(tài)分配，提高NCS應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的能力.本發(fā)明采用的方法是第一步在控制器節(jié)點(diǎn)中，定義偏差e(k)為e(k) =ydes(k)-Jact (k);同時(shí)，定義偏差變化率 ec(k)為ec(k) = e(k)-e(k-l).第二步選定偏差e (k)和偏差的變化率ec (k)作為雙重約束來共同決定控制器節(jié)點(diǎn)中，數(shù)據(jù)包向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的條件.且偏差e(k)(即死區(qū))的閥值定義為參數(shù)δ，同時(shí)偏差變化率ec(k)的閥值定義為參數(shù)Y.第三步以各個(gè)NCS的輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5% (或±2% )波動(dòng)范圍為目標(biāo)，直接設(shè)定各個(gè)NCS的死區(qū)閥值δ的值為0.05(或O. 02)，偏差變化率ec(k)的閥值Y為O. 025.第四步當(dāng)|e(k)| < δ且|ec(k)| < Y時(shí)，控制器節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)包·此條判定規(guī)則表明當(dāng)系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)(其輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5%(或±2% )波動(dòng)范圍)，控制器節(jié)點(diǎn)無需通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包.第五步當(dāng)|e(k) I ^ δ或| ec (k) | ^ Y時(shí),控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包·此條判定規(guī)則表明系統(tǒng)正處于過渡過程狀態(tài)中，控制器節(jié)點(diǎn)需要通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，以強(qiáng)化控制作用，確保系統(tǒng)盡可能快地結(jié)束過渡過程狀態(tài).本發(fā)明的適用范圍本發(fā)明適用于共享同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)NCS，在控制器節(jié)點(diǎn)中實(shí)施動(dòng)態(tài)死區(qū)調(diào)度.本發(fā)明的特征在于該方法包括以下步驟I、當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)被周期采樣信號(hào)觸發(fā)時(shí)，將采用方式A進(jìn)行工作；
2、當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)將被控制對(duì)象實(shí)際輸出信號(hào)yac;t(k)通過共享網(wǎng)絡(luò)向控制器節(jié)點(diǎn)傳輸時(shí)，將采用方式B進(jìn)行工作；3、當(dāng)控制器節(jié)點(diǎn)被yac;t(k)信號(hào)觸發(fā)時(shí)，將采用方式C進(jìn)行工作；4、當(dāng)控制器節(jié)點(diǎn)將控制信號(hào)u (k)通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器傳輸時(shí)，將采用方式D進(jìn)行工作；5、當(dāng)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)被u(k)觸發(fā)時(shí)，將采用方式E進(jìn)行工作；方式A的步驟包括Al :傳感器節(jié)點(diǎn)工作于時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，其觸發(fā)信號(hào)為周期采樣信號(hào)；A2 :傳感器節(jié)點(diǎn)被觸發(fā)后，對(duì)被控對(duì)象G(S)的輸出信號(hào)yac;t(k)進(jìn)行采樣；方式B的步驟包括BI :傳感器節(jié)點(diǎn)將采樣得到的信號(hào)yac;t(k)，通過共享網(wǎng)絡(luò)向控制器節(jié)點(diǎn)傳輸；B2 :信號(hào)yac;t(k)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ sc后，才能到達(dá)控制器節(jié)點(diǎn).方式C的步驟包括Cl :控制器節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式；C2 :控制器節(jié)點(diǎn)被信號(hào)yac;t (k)所觸發(fā)； C3 :在控制器節(jié)點(diǎn)中，采用系統(tǒng)給定信號(hào)ydes(k)減去被控制對(duì)象實(shí)際輸出信號(hào)yac;t(k)，得到系統(tǒng)的偏差e(k)，即e(k) = ydes(k)-yart(k)，同時(shí)也得到系統(tǒng)偏差的變化率ec (k),即 ec (k) = e (k) _e (k_l)；C4 :針對(duì)系統(tǒng)偏差e(k)和偏差變化率ec (k)，控制器C (s)根據(jù)事先選定的控制策略(常規(guī)控制或智能控制)，實(shí)施其控制運(yùn)算，并得到控制信號(hào)u (k)；C5:若系統(tǒng)滿足死區(qū)調(diào)度算法判定規(guī)則I :即當(dāng)|e(k)| < O. 05且| ec (k)< 0.025時(shí)(對(duì)應(yīng)各個(gè)NCS回路的輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5%波動(dòng)范圍)；或當(dāng)|e(k)<0.02且|ec(k) I < 0.025時(shí)(對(duì)應(yīng)各個(gè)NCS回路的輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±2%波動(dòng)范圍)，即系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，控制器節(jié)點(diǎn)無需通過共享網(wǎng)絡(luò)再向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包.此時(shí)控制器節(jié)點(diǎn)將處于空閉的狀況，等待下一個(gè)采樣數(shù)據(jù)yac;t(k+l)的到來，系統(tǒng)將返回方式A進(jìn)行工作.此時(shí)，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，同時(shí)系統(tǒng)既穩(wěn)定又滿足穩(wěn)態(tài)性能質(zhì)量要求；C6 :若系統(tǒng)滿足死區(qū)調(diào)度算法判定規(guī)則2 :即當(dāng)e(k) |彡O. 05或|ec(k) |彡O. 025時(shí)；或當(dāng)|e (k) I彡O. 02或|ec (k) I彡O. 025時(shí)，即系統(tǒng)正處于過渡過程狀態(tài)中，控制器節(jié)點(diǎn)需要通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，以強(qiáng)化控制作用，確保系統(tǒng)盡可能快地結(jié)束過渡過程狀態(tài)，系統(tǒng)將進(jìn)入方式D進(jìn)行工作；方式D的步驟包括Dl :控制器節(jié)點(diǎn)將控制信號(hào)u(k)，通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)傳輸；D2 :控制信號(hào)u(k)將經(jīng)歷網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延τ Μ后，才能到達(dá)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)；方式E的步驟包括El :執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)工作于事件驅(qū)動(dòng)方式；Ε2 :執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)被控制信號(hào)u (k)所觸發(fā)；E3 :將u(k)作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)被控對(duì)象G(S)實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化控制.本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)
I、本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法是以滿足NCS的控制性能質(zhì)量(QoC)為最終目標(biāo)，以各個(gè)NCS的輸出(被控變量)進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5% (或±2% )波動(dòng)范圍，以及偏差的動(dòng)態(tài)變化率作為判定各個(gè)NCS中，控制器節(jié)點(diǎn)是否需要通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的判定依據(jù)，進(jìn)而可通過動(dòng)態(tài)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小以確保各個(gè)NCS的控制性能質(zhì)量.各個(gè)NCS中的控制器節(jié)點(diǎn)，具有獨(dú)自根據(jù)其控制性能質(zhì)量和整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀況，自主與自適應(yīng)地調(diào)整負(fù)載大小的能力，以確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬的有效利用，強(qiáng)化了控制與調(diào)度的協(xié)同設(shè)計(jì).2、本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法是一種實(shí)時(shí)、在線和動(dòng)態(tài)的調(diào)度方法.無需對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)、估計(jì)或辨識(shí)(因?yàn)槟壳耙霚?zhǔn)確地估計(jì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的大小與網(wǎng)絡(luò)狀況等參數(shù)是非常困難的)，與靜態(tài)調(diào)度算法(大多是離線實(shí)現(xiàn)，難以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中信息流的時(shí)變性與不確定性)、或動(dòng)態(tài)調(diào)度算法(算法復(fù)雜，通常需要較大的開銷)、或通過改變采樣周期(采樣率的改變會(huì)在系統(tǒng)中引起抖動(dòng)，控制算法參數(shù)需要重新整定，耗費(fèi)額外的計(jì)算時(shí)間)、或反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法(需要獨(dú)立設(shè)置反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器節(jié)點(diǎn))，一方面占用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)資源，與其它節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)還會(huì)額外占用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源；另一方面還由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載波動(dòng)等原因?qū)е碌膫鬏敃r(shí)延直接影響調(diào)度算法實(shí)施的實(shí)時(shí)性與有效性，并且反饋網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器的故障將導(dǎo)致整個(gè)NCS性能急劇下降，甚至造成系統(tǒng)癱瘓等方法相比較，新的調(diào)度方法更為簡(jiǎn)單，其物理意義更為清晰明確，并更容易實(shí)現(xiàn).3、本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法的使用與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇無關(guān)既可用于確定性網(wǎng)絡(luò)，也可用于非確定性網(wǎng)絡(luò)；既可用于有線網(wǎng)絡(luò)，也可用于無線網(wǎng)絡(luò)；或有線(無線)異構(gòu)(混雜)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)·4、本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法的使用與控制器節(jié)點(diǎn)中，控制策略的選擇無關(guān)既可用于采用常規(guī)PID控制器構(gòu)成的NCS，也可用于采用各種先進(jìn)(智能)控制器構(gòu)成的NCS.5、本發(fā)明提出的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法無需額外增加網(wǎng)絡(luò)調(diào)度器，在各個(gè)NCS中的控制器節(jié)點(diǎn)就足以實(shí)施，既節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，又節(jié)省節(jié)點(diǎn)資源，因而更具有工程實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.


圖I為共享同一網(wǎng)絡(luò)資源的多回路NCS結(jié)構(gòu)框圖.圖2為單回路NCS的典型結(jié)構(gòu)·在圖I所示共享同一網(wǎng)絡(luò)資源的多回路NCS結(jié)構(gòu)框圖中，有η個(gè)相互獨(dú)立的NCS共享同一網(wǎng)絡(luò)資源，每一個(gè)NCS的控制回路都由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、一個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)所組成.其中傳感器節(jié)點(diǎn)采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行工作，觸發(fā)時(shí)間為采樣周期，并對(duì)被控對(duì)象實(shí)施周期采樣，然后將采樣信息通過共享網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制器節(jié)點(diǎn)；控制器節(jié)點(diǎn)采用事件驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行工作，并計(jì)算出控制信號(hào)，然后將控制信號(hào)通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送；執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用事件驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行工作，被控制信號(hào)所觸發(fā)，其節(jié)點(diǎn)輸出信號(hào)改 變被控對(duì)象狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制作用.在圖2所示的單回路NCS的典型結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)包含給定信號(hào)ydes，被控對(duì)象實(shí)際輸出信號(hào)yac;t，被控對(duì)象G (S)，反饋通路網(wǎng)絡(luò)時(shí)延e ，控制器C(S)和前向通路網(wǎng)絡(luò)時(shí)延單元，需要說明的是此處的前向通路網(wǎng)絡(luò)與反饋通路網(wǎng)絡(luò)與其它η-I個(gè)相互獨(dú)立的NCS共享的是同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)帶寬資源.
具體實(shí)施例方式下面將通過參照附圖I和附圖2來詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn).需要說明的是，本發(fā)明所提出的適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的死區(qū)調(diào)度方法，是置于共享同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源的各個(gè)NCS控制回路的控制器節(jié)點(diǎn)中加以實(shí)現(xiàn)的.具體實(shí)施步驟如下所述第一步工作于時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式的各個(gè)NCS控制回路的傳感器節(jié)點(diǎn)在其各自采樣時(shí)間，對(duì)其相應(yīng)的被控對(duì)象的輸出值進(jìn)行周期采樣，并將其采樣所得的被控對(duì)象實(shí)際輸出信 號(hào)通過共享網(wǎng)絡(luò)，向其對(duì)應(yīng)的各個(gè)NCS控制回路的控制器節(jié)點(diǎn)傳輸；第二步工作于事件驅(qū)動(dòng)方式的各個(gè)NCS控制回路的控制器節(jié)點(diǎn)，被通過反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸過來的被控對(duì)象實(shí)際輸出信號(hào)所觸發(fā)，并將其各個(gè)NCS控制回路的給定值減去其實(shí)際輸出信號(hào)值，得到其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)偏差值e(k)(即e(k) = Ydes (k)-yact (k)),同時(shí)將本次偏差值與上一次偏差值相減，得到系統(tǒng)偏差的變化率ec(k)(即ec(k) =e(k)-e(k-l))；各個(gè)NCS控制回路的控制器節(jié)點(diǎn)針對(duì)其系統(tǒng)偏差e (k)和其偏差變化率ec (k)，控制器C (s)根據(jù)事先選定的控制策略(常規(guī)控制或智能控制)，實(shí)施其控制運(yùn)算，并得到各個(gè)NCS控制回路的控制信號(hào)u (k)；第三步各個(gè)NCS控制回路的控制器節(jié)點(diǎn)，將對(duì)其偏差值e(k)和偏差的變化率ec(k)進(jìn)行判定，以確定控制器節(jié)點(diǎn)是否需要通過共享網(wǎng)絡(luò)向其對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào)u (k)，其死區(qū)調(diào)度算法判定規(guī)則為當(dāng)|e(k) I <0.05且| ec (k) | < O. 025時(shí)(對(duì)應(yīng)各個(gè)NCS控制回路的輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5%波動(dòng)范圍)；或當(dāng)|e(k) I <0.02且|ec(k) | < O. 025時(shí)(對(duì)應(yīng)各個(gè)NCS控制回路的輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±2%波動(dòng)范圍)，即系統(tǒng)已進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，控制器節(jié)點(diǎn)無需通過共享網(wǎng)絡(luò)向其對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，此時(shí)控制器節(jié)點(diǎn)將處于空閉的狀況，等待下一個(gè)采樣數(shù)據(jù)yac;t(k+l)的到來，系統(tǒng)將返回第一步進(jìn)行工作.此時(shí)，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，同時(shí)系統(tǒng)既穩(wěn)定又滿足穩(wěn)態(tài)性能質(zhì)量指標(biāo)；當(dāng)I e (k) I 彡 O. 05 或 | ec (k) | 彡 O. 025 時(shí)；或當(dāng) | e (k) | 彡 O. 02 或 | ec (k) | 彡 O. 025時(shí)，即系統(tǒng)正處于過渡過程狀態(tài)中.此時(shí)各個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)需要通過共享網(wǎng)絡(luò)向其對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信號(hào)u (k)，以強(qiáng)化控制作用，確保系統(tǒng)盡可能快地結(jié)束過渡過程狀態(tài)，系統(tǒng)將進(jìn)入第四步進(jìn)行工作；第四步工作于事件驅(qū)動(dòng)方式的各個(gè)NCS控制回路的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，被通過反饋網(wǎng)絡(luò)通路傳輸過來的各控制信號(hào)u (k)所觸發(fā)，將u (k)作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)其被控對(duì)象實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化控制.第五步返回第一步·以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi).本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的死區(qū)調(diào)度方法，其特征在于該方法以滿足各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5% (或±2% )波動(dòng)范圍為目標(biāo),直接在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制器節(jié)點(diǎn)中，設(shè)定其死區(qū)閥值S的值為0.05(或0.02)，偏差變化率ec(k)的閥值Y為0.025，當(dāng)|e(k) I < 6且|ec(k) I < y時(shí)，表明各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸出已進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5% (或±2% )波動(dòng)范圍，控制器節(jié)點(diǎn)無需再通過共享網(wǎng)絡(luò)向其執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率，系統(tǒng)既穩(wěn)定又滿足穩(wěn)態(tài)控制性能質(zhì)量要求；當(dāng)|e(k) I≥6或|ec(k) I≥y時(shí)，表明各個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的輸出正處于過渡過程中，控制器節(jié)點(diǎn)需要通過共享網(wǎng)絡(luò)向其執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包，以強(qiáng)化控制作用，確保系統(tǒng)盡可能快地結(jié)束過渡過程狀態(tài)。
全文摘要
一種適用于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的死區(qū)調(diào)度方法，屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(NCS)技術(shù)領(lǐng)域.本發(fā)明以確保系統(tǒng)滿足共享同一網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)NCS輸出進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的±5％或±2％波動(dòng)范圍為目標(biāo)，選取各個(gè)NCS死區(qū)閥值δ為0.05或0.02，偏差變化率ec(k)閥值γ為0.025，以e(k)和ec(k)作為雙重約束來確定控制器節(jié)點(diǎn)是否需要向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的條件.當(dāng)|e(k)|＜δ且|ec(k)|＜γ時(shí)，表明系統(tǒng)已進(jìn)入其穩(wěn)定狀態(tài)，控制器節(jié)點(diǎn)無需通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包；當(dāng)|e(k)|≥δ或|ec(k)|≥γ時(shí)，表明系統(tǒng)正處在過渡過程中，控制器節(jié)點(diǎn)需要通過共享網(wǎng)絡(luò)向執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送新的數(shù)據(jù)包.采用本發(fā)明可節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，提高帶寬利用率，同時(shí)使系統(tǒng)既穩(wěn)定又滿足穩(wěn)態(tài)性能質(zhì)量要求。
文檔編號(hào)H04L12/56GK102710515SQ201210171259
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者任佳, 馮亞沛, 孟祥宇, 杜鋒, 郭成, 雷榰 申請(qǐng)人:海南大學(xué)