網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)改進EDF調(diào)度策略研究

蔣凱 田中大

摘要：針對網(wǎng)絡(luò)中傳輸任務(wù)動態(tài)變化的屬性，對傳統(tǒng)的最早截止期優(yōu)先（EDF）調(diào)度策略進行優(yōu)化，以任務(wù)變化的周期和執(zhí)行時間為基準(zhǔn)提出改進的EDF精確化調(diào)度策略。從可調(diào)度條件出發(fā)，利用任務(wù)的執(zhí)行時間和周期的分布函數(shù)，結(jié)合精確化處理方法，對變化的時間進行合理的取值，從而得到精確的時間屬性值并以此進行任務(wù)傳輸。克服了傳統(tǒng)調(diào)度策略中優(yōu)先級混亂導(dǎo)致傳輸性能下降的缺陷，且繼承了傳統(tǒng)策略的資源利用率高的優(yōu)點。通過仿真證明改進的EDF調(diào)度策略有效提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度性能。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);EDF;動態(tài)變化;精確化;調(diào)度

中圖分類號：TP273? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）25-0007-04

Abstract：In view of the dynamic changes of transmission tasks in the network， the traditional earliest deadline priority （EDF） scheduling strategy is optimized， and an improved EDF precision scheduling strategy is proposed based on the cycle and execution time of task changes.Starting from schedulable conditions， using the distribution function of task execution time and period， combined with precision processing methods， the changing time is reasonably valued， so that the accurate time attribute value is obtained and the task transmission is carried out.It overcomes the defect of reduced transmission performance caused by priority confusion， and inherits the advantages of high resource utilization of the traditional strategy. The Simulation proves that this method effectively improves the scheduling performance of the networked control system.

Key words：networked control system; EDF; dynamic changes; precision; scheduling

1引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（networked control system， NCS）是通信和控制融合而產(chǎn)生的新興控制系統(tǒng)。由于信道資源共享，任務(wù)在實際執(zhí)行過程中難免會出現(xiàn)時延、丟包、擁塞等問題，這些因素會造成使系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯下降[1]。因此有必要考慮使用合理的調(diào)度策略對任務(wù)傳輸過程進行控制，以此優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的運行性能[2-5]。傳統(tǒng)的調(diào)度方法往往建立在理想的工作條件下，如具有可預(yù)先確定的任務(wù)特征屬性如周期、執(zhí)行時間等，且互相之間完全獨立。但在實際任務(wù)傳輸中，往往存在一些干擾因素如突發(fā)事件、負(fù)載加重等，會造成任務(wù)的工作特性發(fā)生動態(tài)的變化，這使得傳統(tǒng)調(diào)度策略的系統(tǒng)適應(yīng)性變差，難以得到良好的調(diào)度效果。文獻[6]對于不確定的丟包和時延問題，設(shè)計動態(tài)反饋控制器，建立控制系統(tǒng)模型并給出了系統(tǒng)穩(wěn)定的判定定理。文獻[7]針對具有通信約束和隨機時延的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，預(yù)先確定周期性調(diào)度策略，并建模成一類具有不確定離散時間的交換系統(tǒng)，通過Lyapunov和LMI技術(shù)確定了控制器增益和時間停留條件。對于任務(wù)傳輸中動態(tài)變化因素問題的研究當(dāng)前已經(jīng)取得了一定的進展[8-10]。

本文使用改進的最早截止期優(yōu)先（earliest deadline first， EDF）精確化調(diào)度策略，對動態(tài)屬性變化的傳輸任務(wù)進行處理，將區(qū)間范圍的時間變量約束到一個精確的值，再以此進行數(shù)據(jù)的傳輸。通過仿真驗證了該策略在任務(wù)調(diào)度上具有較好的效果。

2傳統(tǒng)EDF調(diào)度策略

EDF算法是基于任務(wù)時限的動態(tài)調(diào)度算法，以任務(wù)的截止期和當(dāng)前時刻的距離來劃分優(yōu)先級，即距離越近優(yōu)先級越高。在任務(wù)傳輸?shù)倪^程中，優(yōu)先級不是固定的，隨著時間的變化進行動態(tài)調(diào)整。EDF算法在所有可搶優(yōu)的調(diào)度算法中，具有最優(yōu)性。

對于一組獨立的實時周期任務(wù)，系統(tǒng)在EDF算法下的可調(diào)度條件是傳輸過程中總?cè)蝿?wù)利用率滿足

ci為任務(wù)執(zhí)行時間，hi為任務(wù)周期?？芍灰蝿?wù)的U不大于1，說明可被EDF調(diào)度，且理論上利用最高可達(dá)到100%。傳統(tǒng)EDF調(diào)度策略具有易實現(xiàn)，帶寬利用率高的特點，也存在著一些實際缺陷，如未考慮實際偶發(fā)時延和數(shù)據(jù)包丟失以及擾動等因素。這些因素不僅可能會造成任務(wù)執(zhí)行時間和周期發(fā)生變化，也會對系統(tǒng)的傳輸性能乃至穩(wěn)定性帶來了諸多不利的影響。

3 改進的EDF調(diào)度策略

對于任務(wù)動態(tài)變化的時間屬性，從傳統(tǒng)的EDF算法出發(fā)，對判定條件（1）和本身調(diào)度策略進行改進，為了更接近實際任務(wù)傳輸?shù)那闆r，將信道數(shù)據(jù)包丟失和擾動因素在后續(xù)的仿真中加以考慮。

3.1 改進可調(diào)度條件

當(dāng)前研究對象的時間屬性是動態(tài)變化的，因此基本的可調(diào)度條件公式（1）不再適用，對比加以修改，用變量W替代原式確定的U，則新定義的判定公式為：