网络控制系统改进EDF调度策略研究

蒋凯 田中大

摘要：针对网络中传输任务动态变化的属性，对传统的最早截止期优先（EDF）调度策略进行优化，以任务变化的周期和执行时间为基准提出改进的EDF精确化调度策略。从可调度条件出发，利用任务的执行时间和周期的分布函数，结合精确化处理方法，对变化的时间进行合理的取值，从而得到精確的时间属性值并以此进行任务传输。克服了传统调度策略中优先级混乱导致传输性能下降的缺陷，且继承了传统策略的资源利用率高的优点。通过仿真证明改进的EDF调度策略有效提高了网络控制系统的调度性能。

关键词：网络控制系统;EDF;动态变化;精确化;调度

中图分类号：TP273       文献标识码：A

文章编号：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

网络控制系统（networked control system， NCS）是通信和控制融合而产生的新兴控制系统。由于信道资源共享，任务在实际执行过程中难免会出现时延、丢包、拥塞等问题，这些因素会造成使系统的稳定性明显下降[1]。因此有必要考虑使用合理的调度策略对任务传输过程进行控制，以此优化整个网络控制系统的运行性能[2-5]。传统的调度方法往往建立在理想的工作条件下，如具有可预先确定的任务特征属性如周期、执行时间等，且互相之间完全独立。但在实际任务传输中，往往存在一些干扰因素如突发事件、负载加重等，会造成任务的工作特性发生动态的变化，这使得传统调度策略的系统适应性变差，难以得到良好的调度效果。文献[6]对于不确定的丢包和时延问题，设计动态反馈控制器，建立控制系统模型并给出了系统稳定的判定定理。文献[7]针对具有通信约束和随机时延的网络控制系统，预先确定周期性调度策略，并建模成一类具有不确定离散时间的交换系统，通过Lyapunov和LMI技术确定了控制器增益和时间停留条件。对于任务传输中动态变化因素问题的研究当前已经取得了一定的进展[8-10]。

本文使用改进的最早截止期优先（earliest deadline first， EDF）精确化调度策略，对动态属性变化的传输任务进行处理，将区间范围的时间变量约束到一个精确的值，再以此进行数据的传输。通过仿真验证了该策略在任务调度上具有较好的效果。

2传统EDF调度策略

EDF算法是基于任务时限的动态调度算法，以任务的截止期和当前时刻的距离来划分优先级，即距离越近优先级越高。在任务传输的过程中，优先级不是固定的，随着时间的变化进行动态调整。EDF算法在所有可抢优的调度算法中，具有最优性。

对于一组独立的实时周期任务，系统在EDF算法下的可调度条件是传输过程中总任务利用率满足

ci为任务执行时间，hi为任务周期。可知只要任务的U不大于1，说明可被EDF调度，且理论上利用最高可达到100%。传统EDF调度策略具有易实现，带宽利用率高的特点，也存在着一些实际缺陷，如未考虑实际偶发时延和数据包丢失以及扰动等因素。这些因素不仅可能会造成任务执行时间和周期发生变化，也会对系统的传输性能乃至稳定性带来了诸多不利的影响。

3 改进的EDF调度策略

对于任务动态变化的时间属性，从传统的EDF算法出发，对判定条件（1）和本身调度策略进行改进，为了更接近实际任务传输的情况，将信道数据包丢失和扰动因素在后续的仿真中加以考虑。

3.1 改进可调度条件

当前研究对象的时间属性是动态变化的，因此基本的可调度条件公式（1）不再适用，对比加以修改，用变量W替代原式确定的U，则新定义的判定公式为：