TELKOM NIKA , Vol.11, No .5, May 2013, pp. 2301 ~   230 ISSN: 2302-4 046           2301      Re cei v ed  Jan uary 10, 201 3 ;  Revi sed Fe brua ry 26, 20 13; Accepted  March 11, 20 13   Fuzzy Dynamic Scheduling of Multi-loop NCS      Fang He* 1,a , Jiajia  Pang 1,b , Qiang Wan g 2,c , Zhijie Z h ang 1,d   1 School of Elec trical Eng i ne eri ng, Univ ersit y   of Jinan, Jin an,  Chin a   2 School of   Mec han ical En gi ne erin g, Univers i ty of Jin an, Jin a n , Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : hefang 75 88 @16 3 .com* a , 4596 36 121 @qq . com b , me_w a ngq@ujn.edu.cn c cse_zzj@ ujn.e du.cn d       A b st r a ct   T here ar mor e  pro b l e ms  of  netw o rk data  trans mi ssi on  i n   multi- loo p  N C S than  in s i n g le  loo p   NCS. It mayb e  lead to th at o ne or  mor e  of close d -l o op sy stems b e co me  unstab l e i n  multi-lo op N C S. In   order to solve  this proble m ,  a   novel al gor ithm of fu zz dyna mic sche duli ng for mult i-loo p  NCS is pu t   forw ard in this pap er. F i rstly, the req u ire m ent  of the  samp li n g  peri od of NC S is discusse d. T he necessity  of   dyna mic sche d u lin g for  mu lti-l oop  NCS is  an aly z e d . A nd th en, the  alg o rith m of fu zz y   dyn a mic sch edu lin g   for multi- lo op  NCS is pro pos ed. T he id ea i s  describ ed fo rm thre e parts .T he princi ple  of fu zz y  dy na mi c   sched uli ng is  ana ly z e d. T h e  fu zz y c ontro ll er is des i gne d .  T he fu zz dy na mic sch edu l e r is construct ed.  Finally, the si mulati on  mod e of a mu lti-lo op  NCS w i th  fu zzy dyna mic sch edu ler is set u p  usin g T r ueT i m e   softw are. T he relev ant an alysi s of simul a tion  is given.  T he result of study can  prov e that the perfor m a n c e   of each c l os ed  control  loo p  b a sed  on th e s a me n e tw ork platfor m  is  i m p r oved  by a ddi ng fu zz y  dy na mi c   sched uler i n  th e mu lti-lo op N C S.     Ke y w ords : mu lti-loo p  NCS, fu zz y  co ntrol, dy na mic  sch edu li ng, the sa mpl i n g  peri od, pri o rity          Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Comp ared with traditional  control sy stem with p o i n t to point control mo d e , NCS   (Net wo rked  Control Syste m ) ha s a d v anta ges of  less wi ring,  resou r ce   sha r ing, and conve n ient  of  fault diagno si s and m a inte nan ce. On th e other h and,  there are so me que stion s  maybe eme r ge   and n eed to   be solved, su ch a s   delay  of netwo rk  transmi ssion, seq uen ce error  of  tran smitting   data pa cket, packet lo ss,  etc. All this questio n s h a ve bad influe n c e on the p e rforman c e of  NCS.  The pe rform ance of NCS depen ds  on not only  t he co ntrol  strategie s  but  also  sched uling  strategi es of  netwo rk. So it is  necessa ry to design a reasona ble  ne twork sche dul ing algo rithm  to  optimize the  perfo rman ce  of overall NCS.  The current rese arche s  o n  netwo rk  sch edulin mo stly focus o n  th e appli c ation  layer of  netwo rk.   Th e y  mainly d r a w  from the  ta sk sch edul i n g  algo rithm s  of  CP U, such a s  the  typical   FP  (Fix Priority),  the RM (Rate  Monotoni c) [ 2 ], the  EDF (Earlie st Dea d line First) [3], etc. FP and  RM  sched uling al gorithm s bel o ng to the stati c  sche du lin g method, which the flexibility of sched uli n g   pro c e ss i s  p oor. Even EDF is dyna mic sche duli ng, whi c h di stribute s  dyn a mic the p r i o rity  according to  time deadli n e  of each  cont rol loo p , its p e rform a n c e o f  adaptive is  poor. Be side sched uling  al gorithm s a b o v e, some  sch o lars  p r op ose dynami c   scheduli ng al go rithm ba se on  "dead  zo ne"  [4], static  sched uling  a l gorithm  ba sed o n  "time  win d o w " [5 ], and dyn a m ic   sched uling al gorithm of M E F-TO D (Ma x imum Erro r First – Try On ce Di scard) [ 6 ].  Based  on th e origi nal E D F sch eduli ng algo rithm ,  we put forward fuzzy  dynamic  sched uling al gorithm fo r multi-loo p  NCS to r edu ce the bad inf l uen ce of net work  conflict  and  improve the p e rform a n c e o f  NCS.  This pa per is organi zed  in to 6  se ction s  incl udin g  thi s   se ction. Se ction  2 a naly z e s  the   influen ce of the sa mpling  perio d on pe rforman c of  NCS. Sectio n  3 discus se the necessity of  dynamic sch edule  for m u lti-loop  NCS. The fu zz y d y namic  sche duling  algo rit h m of m u lti-l oop  NCS i s   propo sed  in  se ctio n 4. It in clud e s   several  p a rt s: an alyzin g t he p r in ciple  o f  fuzzy  dyna mic   sched uling; g i ving the design of fuzzy controlle r; co nstru c ting th e fuzzy dyna mic sche dule r Simulation an d analysi s  are done in  se ction 5. Finally, concl u si on s are p r e s ente d     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2301 – 230 8   2302 2. The Influe nce of Samp ling Period on the Perfor mance of  NCS  In  gen eral   co ntrol system  with contin uo us si g nal s, th e feed ba ck e r ror si gnal  re ceived by  the co ntrolle r is  continu o u s . So the  sa mpling p e ri od  doe s not  affect the  effect  of co ntrol. B u t in   the control  system  with di screte  digital  sign al, sampl i ng p e rio d  d e termine s  th time interval   of  feedba ck si g nal to control l er [7]. NCS is a  spe c ia ki nd of digital  control sy ste m . Its control l er  receives p e ri odically the feedba ck sig nal  sample d by sen s o r s.    Although net work sou r ce are sha r ed b y  multip le tasks, network permits itsel f  to b e   occupi ed by  a task in  some  spe c ifie d time. In  this case, not  only the sa mpling p e ri o d  of  feedba ck sig nal but also the time interval of  the network tra n smi ssi on for fee dba ck  sign al will   influen ce on  the perfo rma n ce of the  cl ose d  l oop  co ntrol sy stem.  As a re sult, sampli ng pe ri od  whi c h is  set too long o r  to o sho r t may lead to t he ou tput of NCS  diverge n ce. For exampl e, we   set up  a sim u lation mo del  of a sin g le l oop  NCS  o n l y  includ es  on ly one contro lled plant s, o ne  controlle r no de, one  sen s or no de an d  one a c tuato r  nod e usi n g  TrueTim e software[8]. Fi xed   sampli ng pe riod is u s uall y  set for sin g le loop  NCS, in which  multiple tasks of node s run  according to time division  multiplexing  model to tran smit data thro ugh net work.   By adjusting the sam p ling  perio d of NCS we ca n ge t some cu rve s  as sho w n i n  Figure  1.  pre s e n ts the sam p lin g peri od of  NCS. Fig u re   1 a)  sho w s the re sp on se  output when  the  value of  the  sampli ng  pe ri od of  NCS i s  set  t oo sm al l.  Figure 1 c) s hows the resp on se outp u whe n  the  val ue of th sa mpling  pe riod  of NCS i s   se t too big.  The s cu rve s  p r o v e that it i s  v e ry  importa nt for NCS to  ad opt a p r op er sam p ling  p e riod  within   a ra nge to  ensure  a g o o d   perfo rman ce  of control system.      0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 -1 -0 . 5 0 0. 5 1 1. 5 x 1 0 7 ti m e ( s ) r, y  (rad  / s ) a)   h =3ms  0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 ti m e ( s ) r, y  (ra d / s )   b)   h =12m 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 -10 0 0 10 0 20 0 30 0 40 0 50 0 60 0 70 0 ti m e ( s ) r, y  (rad / s ) c)   h =28m   Figure 1. Re spon se outp u t curve s  u s ing  different sa m p ling pe riod     The multi-l o o p  NCS are  u s ed  widely  which in clu d e s  several cl osed loop  co ntrol system  based on the  same n e two r k platform,  su ch a s  Figu re  2. Each cl ose d  loop control  system o w n s   itself cont rolle d plant, controller, se nsor  and a c tuator.   The ch oice of the sampling  period is mo re important fo r multi-loo p  NCS than singl e loop  NCS. Multi-lo op NCS have  some featu r e s  as follo w:   1) Different cl ose d   loo p  NCS  on same   n e twor platform ha s itself d i fferent p r ope r range   of sam p ling  period. The response output of  NCS  will diverge if  sam p ling period  beyond  the  rang e.  2) Be cau s of different  close d  loo p  NCS on  sam e  netwo rk  plat form, phe no menon  of  confli ct of data transmi ssi on maybe h appe ns. It l eads to that multi-loo p  NCS can n o t to be   sched uled if sampling p e rio d  of each  clo s ed lo op NCS is set un sui t able.  3) Even  sam p ling period  of each  closed loop  NCS  is  set suitab le, schedule is  still  necessa ry for different  clo s ed loo p  NCS  on same   net work  platform  to ensure an d improve th e   perfo rman ce  of each  clo s e d  loop NCS.      3. The Nec e s s it y  of NCS D y namic Sc heduling   Based  on  sy stem  stru cture sho w n of t h ree   cl osed l oop NCS i n   Figure 2, a  si mulation   model of a m u lti-loop  NCS  is built usin g Ture Time software. It is sh own a s  Figu re 3.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Fuzzy Dynam ic Sche dulin g  of Multi-loop  NCS (Fang  He)  2303 The m u lti-loo p  NCS in clu des thre co ntrol lo op s.  Each  co ntrol  loop i s   cl ose d  loo p   control  syste m  which in clude sen s o r , cont rolle r,  actuato r   and  plant. Ea ch  co ntrol  loo p   indep ende nt carry out thei r tasks. But they sha r sa me network to tran smit the i r data. In Fig u re   3, ea ch m o d e l of net wo rk nod es  ado pts T r ueT i m e t oolbox of  TrueTime  Kern el mod u le. E D sched uling al gorithm i s  used  for TrueTi m e Network  module.                                                                                                                                                                              Figure 2. System stru cture  of three clo s e d  loop s NCS      r, y 3 r, y 2 r, y 1 t T o  W o r k s pac e5 r T o  W o r k s pac e4 y3 T o  W o r k s pac e3 y2 T o  W o r k s pac e2 y1 T o  W o r k s pac e1 S t ep1 A/ D S nd S ens or 3 A/ D S n d S ens or 2 A/ D S n d S ens or 1 sn d 1 sn d 2 sn d 3 sn d 4 sn d 5 sn d 6 sn d 7 sn d 8 sn d 9 sn d 1 0 rc v 1 rc v 2 rc v 3 rc v 4 rc v 5 rc v 6 rc v 7 rc v 8 rc v 9 rc v 1 0 Ne t w o r k Rc v S n d I n t e r f er enc e [i n s ] [a c r 1 ] [r ] [ c or 1] [ c or 3] [ c or 2] [a c r 2 ] [a c r 3 ] 305. 25 s   + 2 1. 32s + 1 9 . 38 2 DC  S e r v o 3 305. 25 s   + 2 1. 32s + 1 9 . 38 2 DC  S e r v o 2 3 05. 25 s   + 21. 32s + 19. 38 2 DC S e r v o 1 Rc v r Snd C ont r o l l e r 3 Rc v r Snd C ont r o l l e r 2 Rc v r Snd C ont r o l l e r 1 Cl o c k Rc v D / A A c t uat or 3 Rc v D / A A c t uat or 2 Rc v D / A A c t uat or 1 [s c s 1 ] [ c os 3] [s c s 3 ] [ c os 2] [s c s 2 ] [ c os 1] [i n s ] [ c os 2] [r ] [ c os 3] [a c r 3 ] [ c or 2] [r ] [ c or 3] [s c s 2 ] [s c s 1 ] [r ] [ c os 1] [a c r 2 ] [ c or 1] [a c r 1 ] [s c s 3 ]     Figure 3. The  simulation m odel of  multi-loop NCS wi thout  sched ul er                     Figure 4 sho w s respon se  output  cu rves of three con t rol loop s system, in which   y 1 y 2   and  y 3   re spe c tively is  re spon se  output s of th e 1 st  control l oop, t he 2 nd   cont ro l loop  an d th e 3 rd   control loop.  h  re pre s e n ts the  sam p ling pe riod  of  each cl ose d  loop  NCS. The three  PID  controlle rs  a dopt the  sa me pa ram e ters: th e p r o portion al  coe fficient  K P  is 4.2;  K inte gral   coeffici ent is  8 and differe n t ial coefficie n K D   is 0.02. In  this simulatio n , the other p a ram e ters are:  netwo rk type  is ‘Roun d Ro bin’; the rate  of netwo rk tra n smi ssi on i s   80kbit/s; the  sampli ng p e ri od  of three control loop re sp e c tively is  T 1 =4ms , T 2 =5 ms , T 3 =6ms.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2301 – 230 8   2304 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 ti m e ( s ) r, y 1  (ra d  / s ) Loop1 a)   h =4ms  0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 ti m e ( s ) r, y 2  (ra d / s ) l oop2 b)   h =5ms  0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 -1 2 -1 0 -8 -6 -4 -2 0 2 x 1 0 4 ti m e ( s ) r, y 3  (ra d  / s ) Loop3 c)   h =6m s     Figure 4. Re spon se outp u t curve s   of thre e loop s witho u t sch edul er        The outp u t of the 1 st  cont ro l loop an d the  2 nd  control l o op ca n qui ckl y  reach their  desi r ed  value. It means they tran smit data thro ugh net work  i n  time accord ing to the respective sampl i ng   cy cle.  B u t  t h e  3 rd  control lo op ha s to take a long time  waiting for d a ta tran smission. It leads that  the feed ba ck sig nal  ca n n o t go  ba ck controlle r i n  ti me. The  cont rolle can  not  finish  calcul ating   and adj usting  the controll e d  plant. The resp on se outp u t of the 3 rd  control loop fails to reach the  expecte d val ue finally. Th is  simulatio n  prove s  t hat  it nece s sa ry  for multi-l oop  NCS  to ad d  a   sched uler.       4. Fuzzy  D y n a mic Sched u ling Algorithm of Multi-l oop NCS   At prese n t, the resea r ch o n  informatio n sched uling of  NCS is mo stl y  sche duling  of open   loop. Based  on theo ry of feedba ck control,  con s i derin g the  sampling  pe riod’s i n fluen ce on   system p e rfo r mance, this p aper   puts fo rward a multi-l oop fuzzy dy namic  sche d u ling alg o rith ms,  whi c h in cludi ng calculatin g prio rity, determinin g  the  prio rity and  sched uling ta sks of n e two r node s.       4.1. Principle of Fuzz y  Dy namic Scheduling  Princi ple of fuzzy dynami c  sche dulin g  is dynam i c  distrib u te the  priority of e a ch lo op  according to  respon se  error of ea ch lo op in mu lti-l o op NCS. Co nsid erin g rat e  of error, two- dimen s ion a l f u zzy controller i s   used to  dete r mine  the p a ra mete r of  prio rity. Figure 5  sho w schemati c  of  fuzzy dyna mical  sche du ling  alg o rithm .  Acco rdi ng t o  differe nces  e 1 …e n  of in puts  r 1 …r n   with ou tputs  y 1 …y n  a nd  rates of  dif f eren ce  ec 1 … e c n , the  prio rities of e a ch l oop  p 1 …p n  are   obtaine d by f u zzy inferen c e [9]. The  sa mpling  node of NCS are  usu a lly drive n  by cl ock. O n ce  sched uler i s  use d , the nodes of NCS tran smit t heir  data or re cei v e their data throug h network  according  to arrang ement of  sch edul er.         Figure 5. Sch e matic dia g ra m of fuzzy dynamical sche duling alg o rit h m     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Fuzzy Dynam ic Sche dulin g  of Multi-loop  NCS (Fang  He)  2305   The  core of t h is  scheduling  algorithm i s  to apply fuzzy control met hod to  determine the  prio rity of con t rol loop i n  m u lti-loop  NCS .  After  priority  is dete r min e d, the sche du ler de cid e s th e   orde of adj u s ting  different  loop acco rding to  t he  p r iority of  co ntrol lo op. An d  the  cont rol l oop  with the high est prio rity firstly posse sse s  prio rity  of network data transmi ssion to  finish its task.    4.2. Design  of Fuzz y  Controller    The al go rithm  of fuzzy dyn a mic  sche duli ng fo cu se s o n  the  distri but ion of  prio rity  of ea ch  NCS  co ntrol  l oop [1 0]. Fig u re  6 i s   sche matic  diag ra m of fu zzy i n feren c of p r i o rity. In loo p   o f   multi-loop NCS  r i  is refe rence input;  y i   is a feedba ck sig nal of outputs;  e i   is the differen c e  o f   referen c e inp u t with outpu t feedback of  loop;  ec i   i s  rate of error,  ec i ( k ) = e i ( k ) - e i ( k- 1) p i   is t he  prio rity of loop. The input of fuzzy co ntroller are  e i  an ec i . The out put of fuzzy controlle r is  p i .  It  is assum ed that actual in p u t range of  e i   and  ec i  i s  [-1 ,  1], and actual output ran ge of  p i  is  [1, 5].   The ratio fa ct or  K e  and  K ec  both equ al 4. The qua ntitative factor  K q   equal 1. After fuzzifi cation,  e i   and  ec i  is re spectively tran slated into  E i   and  EC i .   The fuzzy discou rse dom ai ns are define d  as follo w:   E i :  {-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3,  4}   EC i :  {-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2,  3, 4}   P i {1, 2, 3, 4, 5}   and fuzzy set s  are a s sign e d  as follo w:  E i { NB, NS,  ZE, PS,  PB}  EC i :  { NB, NS, ZE, PS , PB}   P i {PS,  S, M,  B, PB}   NB re pre s e n ts ne gative bi g; NS rep r e s ent s n egative small; ZE  rep r e s ent s zero; PS  rep r e s ent s p o sitive small;  PB represent s po sitive  big ;  S represent s small; M re pre s ent s mid d le;  B represents big. The m e mbe r ship fu nction of tria ngula r  type is used for  and  EC . The  membe r ship functio n  of Ga uss type is used for memb ership  P Fuzzy rule s a r determi ne d ba se d o n  t he a nalysi s  t o  the  relatio n s hip  of p e rfo r mance of  control  syste m  with it s p r iority of task.   The  pr in cipl e of setting f u zzy co ntrol  rule s i s  that t he  output of fu zzy controller  can  truly  refl ect the  stat e  of loo p  ta sk in o r d e r to   rational  allo cate  prio rity of ea ch control  loo p  in  m u lti-loo p  NCS [11].  Note th at the  bigge r the  value of  prio rit y  is,  the lower the  prio rity of co ntrol loo p  is.  In other   wo rd , the smalle the value of  prio rity is, the  highe r the  priority of cont rol lo op i s Fuzzy set PB co rre sp on ds to  a lo prio rity, and  PS  corre s p ond s t o  a high  prio ri ty. Table 1 sh ows the ru le s of fuzzy cont rol to pri o rity  of each co ntro loop in multi-l oop NCS.        Figure 6. Sch e matic dia g ra m of fuzzy  inferenc e of priority   Table 1. Rul e s of fuzzy con t rol     P i   EC i   NB NS  ZE  PS  PB  E i   NB PS  PS  PS  NS  PS S  B PS  ZE  PS M PB M PS  PS  PS B  S PS  PB PS  PS PS      By the fuzzy inferen c e a n d  defuzzificatio n  usin g ce nte r  of gravity method, the tru e  value   of the output finally  p i   can b e  got. Equation (1 ) is the formul a of cen t er of gravity method.       55 11 / kk k kk pp p p     (1)     Accordi ng to  the pri o rity calc ulated out  of control loop,  NC S will  execute task of  control   loop in  seq u e n ce  acco rdin g to prio rity level of  each l o op, and  reali z e the dynami c  sch edulin of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2301 – 230 8   2306 multi-loo p   NCS. Becau s e  fuzzy dyna mic  sched ul i ng con s id ers  error  an e rro r ratio of each   control loop, the control loop whi c h pe rforman c de viates from set point worst is adjusted  in  time. So this kind of dyna mic sche dulin g is hel pful to  improve the  whol e perfo rmance of NCS.    4.3. Design  of Fuzz y  D y namic Sche duler   Based  on th e multi-loo p  NCS mo del  as sho w n in  Figure 3, th e fuzzy sch e duler i s   adde d into this simul a tion NCS mod e l. Once the  sch edule r  is add ed, the sen s o r  sen d s data  to   the net work  a c cordi ng to  sche duling  of f u zzy sch edul er in stea d of  dire ctly tran smitting data t o   the co ntrolle r throu gh the  netwo rk. F u zzy sche duli n g  of multi-loo p s  is  used to  avoid conflict  of  data tran smi s sion of differe nt control lo o p . Figur e 7  shows the sim u lation struct ure dia g ram of  multi-loo p  fuzzy sch eduli ng. The out put sign al of three control loop  y 1 y 2 , and  y 3  ar respe c tively conne cted  to t he in put p o rts of fuzz sche duler. A nd th e outp u ts  of fuzzy controll e r   p 1 p 2  and  p 3   are al so  re spectively co n necte d to the   input port s   of the fuzzy  sched uler. T h e   other pa rt of dynamic  sche duling  simulat i on model  of  multi-loo p  NCS is same a s   Figure 3.      - K- k9 - K- k8 - K- k7 - K- k6 - K - k5 - K- k4 - K- k3 - K - k2 - K - k1 In 1 In 2 In 3 In 4 In 5 In 6 Ou t 1 S c hed ul e1 Me mo r y 2 Me mo r y 1 Me m o r y F u zz y L o g i c   C o nt r o l l er 6 F u zz y L o g i c   C o nt r o l l er 2 F u z zy L o g i C o n t ro l l e r1 [y 3 ] [y 2 ] [y 1 ] [r ] [y 2 ] [y 1 ] [y 3 ] [s c h ]     Figure 7. The  simulation  structu r e di agram of multi-lo op fuzzy sche duling       In Figure 7, the modul e of sch edule r  is  bu ilt using T r ueTime Ke rn el module. By double  clickin g  this  module of schedul er withi n  Matlab/si m u link, the int e rnal  st ru cture of sch edul er is  sho w n a s  Figure 8.  Progra m  of schedul er mu st  be written in form of M type file  into   sched uler_ini t file.  Data of each  contro l loop  ca n be  transmitted t h rou gh net work  acco rdin g  to   the comm and  from sched ul er_init file.      1 sc h A/ D In te r r u p ts Rc v D/ A Sn d Sc h e dul e Mo n i t o r s P T r ue T i m e  K e r n el T e r m i n at or 2 T e r m i n at or 1 Te r m i n a t o r Sc o p e G r ou nd 1 G r o und 6 p3 5 p2 4 p1 3 y3 2 y2 1 y1     Figure 8. The  internal st ru cture of sched uler        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046       Fuzzy Dynam ic Sche dulin g  of Multi-loop  NCS (Fang  He)  2307 5. Fuzzy  D y n a mic Sched u ling Algorithm of Multi-l oop NCS   By building si mulation mod e l of multi-loop  NCS with  fuzzy dynam ic sched ule r , system   respon se  curves of th re control lo op  can b e  g o t a s   sho w n  Figu re  9.    In thi s   si mulation,  sa me  PID co ntrolle r an d same  model  of co n t rolled  obje c with same t r a n sfer fun c tion  are  ado pted  in   different  co ntrol lo op s. An d type of  net work is  sele cted a s   Ro und  Ro bin. T he  other pa rame ters  are: net work transmi ssion  rate  is 50 0kbit/s, the sa mpling pe rio d s of thre e control loo p are   T 1 =4m s ,   T 2 =5ms and  T 3 =7m s . The t i me interval  adju s ting t he p r iority o f  fuzzy dyna mic  sched uler i s   T p =50m s.  h  repre s e n ts the  samplin g pe riod of each cl ose d  loop  NCS.  Comp ari ng  with Figu re  4,  we  ca n l earn  that  all  the   outputs of th ree  cont rol l o ops can   conve r ge to  their de sire d value in Figure 9. Th e 3 rd  loop n o  longe r ha ppen s diverg ent  phen omen on.  Thi s  i s   be cause fu zzy  sche dule r   rea s on able  arra ngeme n seq uen ce  of d a ta  transmissio n of different co ntrolle r. The over all pe rformance of NCS was imp r ov ed obviou s ly.      0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 ti m e ( s ) r, y 1  (r ad / s ) Loop1   a)   h =4ms  0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 time ( s ) r, y 2  (ra d  / s ) L oop 2 b)   h =5ms  0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1 0 50 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 0 40 0 45 0 50 0 ti m e ( s ) r, y 3  (r a d   / s ) L oop 3 c)   h =7m s     Figure 9. Re spon se outp u t curve s  of  thre e loop s with fuzzy sched ul er        From the ‘schedul e’ outpu t of   TrueTim e Ker nel in F i gure 8, we can ob serve t he time   seq uen ce di agra m  of NCS network node runni ng. It includ es three sta t use s : no d a ta  transmissio n, waiting data  transmissio n and sendi ng  data.  W h en  sc he du le r  is n t us ed  in  F i g u r e   4 ,  th e  1 st  co ntrol loop  and t he 2 nd  control  loop a r e   usu a lly stay t w statuses:  no data  tr an smissi on or se nding data.  B u the  3 rd  control loop al ways   stay waitin g d a ta tran smi s sion be ca use  of netwo rk  co nflict. It eventually lead s th at the re sp on se  output of the 3 rd  control lo o p  is diverg ent   After sch edul er is u s ed in  Figure 9, data trans missio n of network node s of thre e control  loop s is re a s on ably arra nged by the  fuzzy dyna mic sche dul er. They all  usually stay  tw o   statuses: no  data tran sm issi on or  sen d ing data  in  time. This pro c e ss g r e a tly improves  the  perfo rman ce  of each  control loop of NCS.      6. Conclusio n    Summari zin g  the work ab o v e, some con c lu sion s are given as follo w:  1) An impo rt ant premi s of implementi ng dy nami c   netwo rk  sche duling in a m u lti-loop   NCS i s  that the sa mpling  perio d of ea ch clo s ed  cont rol loop i n  multi-loop  NCS  shoul d be in  a  certai n ra nge  whi c h is n e ith e r too big no r too small.   2) T he i dea  of fuzzy dyna mic  sched uli ng i s  to  cal c ulate p r io rity of ea ch  clo s e d  control   loop a c co rdin g to their error a nd  rate o f  erro r n e two r paramete r s, and  to exe c ute  sched uli ng  according to  the value of priority. This i dea ma ke  those control loop whi c h output deviates  heavily from the expe cted  value po ssesse s prio rity of network tra n s missio n, and  be regul ated  as   soo n  as p o ssible. It ensures that ea ch  clo s ed  c ontro l loop ca n sat i sfy with the requireme nts  o f   steady an d d y namic pe rformance.  3) Th e result of simul a tio n  proves th a t   the perfo rm ance of e a ch  clo s ed  loop  cont rol  system b a se d on same  netwo rk  platform is  im pro v ed effectively by adding  fuzzy dyna mic  scheduler in  multi-loop NCS.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2301 – 230 8   2308 Ackn o w l e dg ement  This  wo rk  was fina ncially  sup porte by the Shan dong P r ovin cial Natural  Scien c e   Found ation  (ZR20 12EEZ0 01), Ph D Fo undatio n of  Un iversity of Jina n (No. X BS1044), a n d  the   Grad uate Ed ucatio n Innov ation Proje c t of  Shandon g Province (No. SDYC12 006 ).      Referen ces   [1]  Walsh GC, Octavian B, Bushnell  LG. As y m ptotic be hav ior  of non lin ear  n e t w o r ke d contr o l s y stems.   IEEE Transaction on Aut o m a tic Control . 20 01 ; 46(7): 109 3 -109 7.   [2]  Liu  CL,  La yl a n d  JW . Sche du l i ng  al gorit hms  for mu ltipro gr amming  i n   a h a rd r eal-tim e n viro nment.  Journ a l of the  ACM . 1973; 2 0 ( 1): 46-61.   [3]  Kevin J, Stanat  DF, Martel CU.  On Non-Pre e m ptiv e Sch e d u ling  of Peri od ic  and S por adic t a sks .  IEEE  Real-T ime S y s t em S y mp osiu m. Heide berg.  199 1: 10- 21.   [4]  Hon g  SH, Kim  W H . Band w i d t h alloc a tio n  scheme i n  CAN  protocol.  In P r oceedings of IEEE Control  T heory an d Ap plicati ons . 2 0 0 0 ; 147(1): 3 7 -4 4.  [5]  Otanez P, Mo yn e J, T ilbur D.  Usin g D ead  ban ds to  Re d u ce C o mmu n ic ation  in  Netw o r ked C ontro l   System s . In Procee din g  of the America n  Co ntro l Co nferen ce. Anchora ge.  2002: 6 15- 61 9.  [6]  W a lsh GC, Ye  H. Schedu lin g of Net w o r ke d Contro l S y ste m s.  IEEE Control System s M aga z i ne . 20 01 ;   21(1): 57- 65.   [7]  W i dod o RJ.  C ontrol  S y stem s in  Our D a il Life.  T E LK OMNIKA Indo nesi an J our na l of E l ectrica l   Engi neer in g . 2007; 5(1): 9-1 6 .   [8]  Emeka E, Jia  B, Derek R. M ode lin g a nd si mulati on too l  for net w o rked  control s y stem s.  Sim u lati on  Mode lin g Practice an d T heory . 2012; 27( 9): 90–1 11.   [9]  Nasuti on H, Ja malu ddi n H, Syer iff JM. Energ y   an al ysis for  air con d itio ni n g  s y stem  usin g fuzz y   log i c   control l er.  T E LKOMNIKA Indones ian J ourn a l of Electrica l  Engi neer in g . 2011; 9(1): 1 39- 150.   [10]  Z hang L, F a n g  HJ. F u zz y  c ontrol l er des ig n for net w o rk e d  control s y ste m   w i th time-v a r iant de la ys.   Journ a l of Systems E ngi ne eri ng an d Electro n ics . 200 6; 17( 1): 172-1 76.   [11]  Nasuti on H, Ja malu ddi n H, Syer iff JM. Energ y   an al ysis for  air con d itio ni n g  s y stem  usin g fuzz y   log i c   control l er.  T E LKOMNIKA Indones ian J ourn a l of Electrica l  Engi neer in g . 2011; 9(1): 1 39- 150.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.