夏荣坤,蒋蓉蓉,胡天水
(1.安徽工程大学,安徽 芜湖 241000;2.安徽检测技术与节能装置省级实验室,安徽 芜湖 241000)
最早截止期优先的网络控制系统动态调度研究
夏荣坤1,2,蒋蓉蓉1,2,胡天水1,2
(1.安徽工程大学,安徽 芜湖 241000;2.安徽检测技术与节能装置省级实验室,安徽 芜湖 241000)
网络控制是涉及计算机技术、自动控制技术、通信技术和最优化理论等的综合学科,网络调度对网络控制系统性能的影响是近年来国际学术界研究的热点。介绍了网络控制系统的基本组成和可调度性分析方法,提出一种由实时任务调度理论改进的网络动态调度理论——最早截止期优先(EDF)动态调度算法,并在控制器局域网络下采用Truetime与Simulink仿真工具共同构建了多回路的网络控制系统。仿真实验结果表明:最早截止期优先动态调度算法可以在不确定的网络环境下使各回路控制器性能达到最优。
网络控制系统;网络调度;最早截止期优先
网络控制系统(network control system,NCS)是一种通过共享通信或控制网络实现空间分布的各个节点(传感器、控制器和执行器)之间的信息传输,从而对被控对象进行反馈控制的系统[1]。由于各个节点共同竞争网络资源,且网络资源的承受负载节点能力和带宽资源有限,这使得信息交互过程中任务信息的属性总是不确定的,网络中的节点在发送数据信息和发生碰撞时,必然存在信息传输的先后次序问题。在这种情况下,引入有效的调度策略解决信息传输时发生的碰撞问题可改善网络问题对控制系统性能的影响[2]。
本文以CAN总线为网络环境,采用最早截止期优先[3](earliest deadline first,EDF)调度算法来处理任务执行过程中任务属性和网络环境的不确定问题。通过对网络可调度性和动态调度策略的分析,采用TrueTime与Matlab-Simulink仿真工具对网络控制系统仿真,分析调度策略改善网络环境的状态。仿真结果显示EDF调度能有效地改善网络控制系统的运行性能。
1.1 网络控制系统调度
NCS网络调度和CPU实时调度相似,均存在有限共享资源的限制,同时均需为并发任务分配共享资源、周期性激发任务以及满足任务截止期要求[4]。在网络调度中,各个节点对网络资源的竞争与CPU实时任务调度的CPU内存资源相对应,控制局域网络中多节点向网络上传的消息与CPU处理器中被调度的多个待处理的进程。 研究分析网络控制系统动态调度理论可参照CPU实时调度理论,利用该理论研究信息在网络传输过程中的调度问题[5]。
1.2 网络传输任务参数
1) 接收结束时刻ai:打包好的信息,开始进入等待发送队列的时刻。
2) 发送起始时刻si:待发送的信息打包后,开始发送的时刻。
4) 网络传输时间ci:经网络传输,数据包经源地址传输到目的地址所用时间,取决于网络介质的速率和数据包大小等因素。
5) 完成时刻fi:数据包经网络传输到达目的地址的时间点。
6) 网络传输时延τi:待发送的信息开始打包到传输的信息数据包到达目标节点所需的时间。
7) 网络传输时限(截止期)di:为确保网络控制系统的稳定运行,包含控制信息的数据包在网络传输过程中人为设定一个时限,如发送超时、响应超时等。这些超时时间称之为时限,一般为了简化数学分析,假设di=ai+hi。
图1 网络传输任务时间参数
1.3EDF动态调度算法
针对计算机实时系统,由Liu和Layland提出的抢占式EDF算法[6]给出了可调度性判断,具体如下:在计算机实时系统中,CPU内存资源固定不变,各个内部进程包含不同的实时任务,CPU根据调度算法得出的优先级实时有序地处理各个进程任务。其中:CPU根据任务距离截止期di的长短动态分配任务的优先级;当任务距离截止期时长越短时,该任务具有较高的优先级;相反,距离截止期越长的任务其优先级越低。将该理论推广到网络控制系统的研究中,得出基于网络控制系统的EDF调度算法[7]。应用研究表明该算法是最优的动态优先级调度算法。
引理[8-9]在网络控制系统中,有n个非抢占优先的周期采样任务(根据任务优先级递减排序,i=1 表示优先级最高,i=N表示优先级最低)。如果对于所有的i=1,2,…,N满足:
1.4 调度性分析
非抢占优先EDF算法可调度定理分析[10-11]:设T={T1,T2,…Tn} 是存在的n个传输任务,其中,一系列该任务集Ti(ci,hi)按周期递增顺序排列,ci为网络传输任务的传输时间,即传输时延,di为传输任务Ti的截止期(di=hi),则当且仅当以下条件成立时,在非抢占优先EDF调度算法下这组任务集可调度:
设多回路网络控制系统有4个回路,传输任务的时间属性(单位:ms)如下:
令t=hi-1,t′=1,则网络利用率为
下面列出当i取不同值时任务集的时间需求关系:
2.1 网络控制系统仿真平台的构建
Truetime是由The Lund University和Anton Cervin、Dan Henriksson等学者共同开发的一种网络控制系统仿真工具箱,它能够支持实时控制与网络调度的仿真,并可以对网络传输时延、网络参数对控制系统性能的影响等进行仿真研究,从而为网络控制系统的研究提供了一个仿真依据[12]。
利用Simulink和Truetime工具箱搭建一个三控制回路的网络控制系统仿真平台。仿真模型如图2所示。
图2 网络控制系统仿真模型
图2中,3个相同的直流电机模型与对应的PID控制器在同一CAN网络环境下。控制器、执行器、调度器均采用事件驱动方式,其中调度器由内部的3个周期采样模块驱动,其采样周期分别为h1=2 ms,h2=5 ms,h3=7 ms。
2.2 仿真结果
EDF动态调度策略下干扰节点和调度器、控制器等节点的调度情况如图3所示。干扰节点动态地占用了网络带宽,其优先级最高。调度器节点、控制器节点以及执行器节点并不是在网络空闲时依次发送数据,而是按照不同控制回路的数据发送距离截止时限的长度来对它们的发送优先级进行动态调整。
图3 3个回路EDF策略调度图
图3中,调度器中采样模块的数据传输时序图的尖刺是由于该节点与优先级较高的节点同时争用网络发送权造成的。
网络控制系统中3个控制回路的方波响应以及相应的控制率ui如图4~6所示。从图可以看出:在网络资源受限且不稳定时,EDF动态调度考虑不同回路数据的紧急程度,故能使系统性能得到较大的改善。
图4 回路1方波响应及控制率
图5 回路2方波响应及控制率
图6 回路3方波响应及控制率
网络调度在很大程度上影响着网络控制系统性能的优劣[13,14],即在网络环境下,多个控制回路中的节点共同占用有限的网络资源,合理地分配网络资源以及如何决定数据包发送的优先级是网络控制系统面临的主要问题。本文将实时调度理论运用到网络控制系统中,给出了一种最优的动态优先级调度算法——最早截止期优先动态调度算法。该算法在实际应用中可以根据调度任务距离截止期的长短动态分配任务优先级,具有较强的环境适应性。仿真结果表明在网络控制系统中,该算法可以明显提高网络控制系统运行的稳定性。
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(责任编辑 杨黎丽)
Research on Earliest Deadline First Network Control System Dynamic Scheduling
XIA Rong-kun1,2, JIANG Rong-rong1,2, HU Tian-shui1,2
(1.Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China; 2.Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices, Wuhu 241000, China)
Networked control system is a comprehensive subject of integrated computer technology, automatic control, communication technology, optimization theory, and so on. The effect of network scheduling on the property of network control system is a hot issue in the research of international academic circles in recent years. This paper introduced the basic composition and network control system schedulability analysis method, and put forward a network dynamic scheduling theory improved by real-time scheduling theory- Earliest Deadline First (EDF) dynamic scheduling algorithm, and constructed multi loop networked by using Truetime and Simulink toolbox under CAN network. Simulation results show that the first dynamic scheduling algorithm of earliest deadline can make the optimal performance of each loop controller in the uncertain network environment.
Network control system; Network scheduling; earliest deadline priority
2014-11-27 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61172131,61203034);安徽省自然科学基金资助项目(1308085QF120)
夏荣坤(1989—),男,安徽芜湖人,硕士研究生,主要从事网络控制系统方面研究。
夏荣坤,蒋蓉蓉,胡天水.最早截止期优先的网络控制系统动态调度研究[J].重庆理工大学学报:自然科学版,2015(3):105-109.
format:XIA Rong-kun, JIANG Rong-rong, HU Tian-shui.Research on Earliest Deadline First Network Control System Dynamic Scheduling[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):105-109.
10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.020
TP301.6
A
1674-8425(2015)03-0105-05