交換式以太網(wǎng)周期性實時數(shù)據(jù)的混合調(diào)度

畢 昆

(華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系,湖北武漢430074)

一、引言

交換式以太網(wǎng)的出現(xiàn)改善了共享式以太網(wǎng)由CSMA/CD策略引起的沖突和時延的不確定性。然而,交換式以太網(wǎng)的一個重要問題是,交換機中各種數(shù)據(jù)競爭網(wǎng)絡(luò)資源的問題。交換機中有效的優(yōu)先級調(diào)度顯得十分必要。RM調(diào)度策略根據(jù)信息周期的長短進行調(diào)度,采用該靜態(tài)調(diào)度策略,系統(tǒng)計算開銷較小,然而一旦實時數(shù)據(jù)周期相同,則調(diào)度失敗。有學(xué)者通過在周期性數(shù)據(jù)幀中引入截止期限(Deadline)字段,采用最早截止期優(yōu)先(Earliest Deadline First,EDF)動態(tài)調(diào)度來保證周期性實時數(shù)據(jù)的有效調(diào)度,然而動態(tài)計算截止期,運行開銷較大。

本文結(jié)合速率單調(diào)(Rate Monotonic,RM)和最大誤差優(yōu)先(Maximum Error First,MEF)提出一種RM-MEF(Rate Monotonic-Maximum Error First, RM-MEF)混合調(diào)度策略。首先根據(jù)實時數(shù)據(jù)周期長短來確定優(yōu)先級,周期短的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送,若實時數(shù)據(jù)周期相同,則根據(jù)誤差大小來判斷優(yōu)先級,數(shù)據(jù)誤差大則優(yōu)先發(fā)送。在RM策略失效時使用MEF方法,彌補了RM策略的缺陷,同時, MEF策略保證了誤差較大的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸,改善了控制系統(tǒng)動態(tài)性能。由于僅在RM失效時調(diào)用MEF動態(tài)策略,該混合調(diào)度策略計算開銷較小。

二、系統(tǒng)描述

控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于通訊網(wǎng)絡(luò),其數(shù)據(jù)包短而頻繁,且實時性要求高。一般的交換式以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)有1個控制器節(jié)點,n個傳感器節(jié)點。采樣數(shù)據(jù)輸出通過交換式以太網(wǎng)傳輸給控制器節(jié)點?？刂破鞲鶕?jù)傳輸來的數(shù)據(jù)制定控制策略,驅(qū)動被控對象。當(dāng)然,控制信息也可能通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給驅(qū)動器,此處僅討論傳感器信息在交換機中的調(diào)度問題。假設(shè)控制器是事件驅(qū)動的,各傳感器是時間驅(qū)動的,即各采樣數(shù)據(jù)是周期性的,并且一旦采樣立即傳輸(單包傳輸)。

圖1 交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)

采用交換式以太網(wǎng)將網(wǎng)絡(luò)分段,避免了不同節(jié)點信息由于CSMA/CD策略引起的沖突和時延的不確定性。然而,由于傳感器反饋信息在交換機處產(chǎn)生了排隊時延,使得傳感器發(fā)出的信息與控制器接收到的信息之間產(chǎn)生了差異,從而影響了已經(jīng)設(shè)計好的閉環(huán)系統(tǒng)的控制性能。在采樣數(shù)據(jù)頻繁,控制實時性要求高的場合,排隊延遲不能被忽略,甚至可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。這時在以太網(wǎng)交換機中引入有效的調(diào)度機制合理的調(diào)度數(shù)據(jù)包的傳輸,使對控制系統(tǒng)性能影響大的數(shù)據(jù)優(yōu)先發(fā)送,變得十分重要。

對于一個已經(jīng)設(shè)計好的控制器,我們希望盡量減小由于網(wǎng)絡(luò)而引入的隨機時延τ。假設(shè)第 k周期其網(wǎng)絡(luò)時延為τ(k),那么對于這個系統(tǒng)越小,網(wǎng)絡(luò)對這個系統(tǒng)的影響越小。推廣到多個節(jié)點的情況,假設(shè)系統(tǒng)有 n個節(jié)點,τj(i)表示第j個節(jié)點,第 i個周期的網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延。由此,我們使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略調(diào)度周期性實時數(shù)據(jù)的目的就是盡可能的減小

三、周期性實時信息的調(diào)度

已有多位學(xué)者針對交換式以太網(wǎng)做過時延分析,并得出結(jié)論,在交換式以太網(wǎng)中,數(shù)據(jù)的排隊時延是時延的主要部分。因此提出有效的隊列調(diào)度策略,減小數(shù)據(jù)的排隊時延是提高控制性能的關(guān)鍵。

在分布式系統(tǒng)中,控制信息一般是以周期信息的形式出現(xiàn)的,因此周期性實時數(shù)據(jù)的調(diào)度是控制網(wǎng)絡(luò)最關(guān)心的問題。RM調(diào)度算法是一種直接且簡便易行的靜態(tài)調(diào)度算法,根據(jù)實時信息周期的長短設(shè)置優(yōu)先級,其優(yōu)先級一旦固定下來將一直按照該優(yōu)先級進行判定。由于計算量小,該方法非常適用于交換機的優(yōu)先級調(diào)度。然而,正是由于RM調(diào)度策略以實時信息的周期長短作為優(yōu)先級判定標(biāo)準(zhǔn),致使控制系統(tǒng)中的大量采樣周期相同的實時信息無法得到有效的調(diào)度,影響了控制性能。

a)RM-MEF策略基本流程

受Walsh在CAN總線上使用的MEF-TOD調(diào)度策略啟發(fā),本節(jié)提出一種適用于交換式以太網(wǎng)的RM-MEF混合調(diào)度算法。其基本的調(diào)度流程如圖2所示。當(dāng)來自多個節(jié)點的數(shù)據(jù)在交換機緩沖區(qū)中形成隊列時,首先根據(jù)預(yù)先制定好的RM調(diào)度策略,根據(jù)周期長短來確定實時信息的優(yōu)先級。當(dāng)發(fā)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采樣周期相同時,調(diào)用MEF策略,通過判定本次數(shù)據(jù)和上次數(shù)據(jù)的差別來決定其優(yōu)先級,認(rèn)為本次數(shù)據(jù)和上次數(shù)據(jù)差別越大,本次數(shù)據(jù)越重要,要優(yōu)先傳送。

在控制系統(tǒng)中,變化較大的量通常是在系統(tǒng)發(fā)生動態(tài)過程的時候,動態(tài)數(shù)據(jù)的實時性直接影響到系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)和穩(wěn)定性。因此優(yōu)先傳輸變化量較大的數(shù)據(jù)有利于系統(tǒng)的動態(tài)性能優(yōu)化。

圖2 RM-M EF策略基本調(diào)度流程

b)幀格式

根據(jù)MEF規(guī)則調(diào)度就需要區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的變化率,變化率大的優(yōu)先級高。在利用IEEE 802.1Q優(yōu)先級協(xié)議將數(shù)據(jù)進行分類的基礎(chǔ)上,在運輸層以上定義優(yōu)先級字段。由于控制信息一般實時性要求高,因此在運輸層采用簡單快速的UDP協(xié)議。在UDP層添加一個4字節(jié)的“RM-MEF優(yōu)先級字段”,為周期性實時數(shù)據(jù)提供優(yōu)先級服務(wù),整個以太網(wǎng)幀格式如圖3所示。

圖3 帶優(yōu)先級字段的以太網(wǎng)幀格式

其中4字節(jié)的RM-MEF優(yōu)先級字段中：前2個字節(jié)用于指示該實時數(shù)據(jù)的周期,后2個字節(jié)指示當(dāng)前數(shù)據(jù)包傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和上次數(shù)據(jù)的變化量,該變化量以百分比形式表示。優(yōu)先級字段的格式如圖4所示。

圖4 RM-MEF優(yōu)先級字段

四、仿真分析

考慮一個有8個被控對象的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng),每個控制對象都是一個直流電機,反饋信息通過交換式以太網(wǎng)傳回控制器,控制器直接驅(qū)動直流電機。各對象控制周期信息如表1所示。

表1 各被控對象控制周期

由于5、6號電機具有最短的控制周期,根據(jù)RM規(guī)則其數(shù)據(jù)包優(yōu)先級要高于其他被控對象。然而1、2、3、4號電機由于控制周期相同,當(dāng)來自這些控制對象的多個數(shù)據(jù)包同時到達(dá)交換機并在交換機中形成隊列時,根據(jù)RM規(guī)則已無法決定其優(yōu)先級,從而出現(xiàn)RM規(guī)則失效的情況。而RM -MEF規(guī)則則能很好的解決這一問題,當(dāng)RM規(guī)則失效時,使用MEF規(guī)則,對數(shù)據(jù)變化量大的數(shù)據(jù)進行優(yōu)先調(diào)度,從而能改善網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

在分別使用RM調(diào)度策略和RM-MEF調(diào)度策略的情況下,對3號直流電機對象的動態(tài)性能進行了仿真比較分析,其階躍響應(yīng)如圖5所示。

圖5 不同調(diào)度略下的響應(yīng)曲線

仿真結(jié)果顯示,在本仿真中,使用RM-MEF策略時,3號電機的動態(tài)性能要好于使用RM調(diào)度策略的情況。主要表現(xiàn)在,縮短了系統(tǒng)上升時間和調(diào)節(jié)時間,系統(tǒng)的快速性加強了?？梢奟M -MEF策略相對于RM策略,減少了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間,提高了動態(tài)響應(yīng)速度。在具有同周期信息較多的場合,如多電機同步運動控制系統(tǒng)等對動態(tài)性能要求較高的場合中,能提高系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。

五、結(jié)論

在交換式以太網(wǎng)所組成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中,減少網(wǎng)絡(luò)的不確定時延的最有效的途徑是對數(shù)據(jù)進行有效調(diào)度。在多電機協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)中,周期性實時數(shù)據(jù)是控制網(wǎng)絡(luò)中的主要數(shù)據(jù)類型,并且多數(shù)情況下,多運動軸各單元的控制周期相同,當(dāng)周期相同的數(shù)據(jù)在交換式以太網(wǎng)中形成隊列的情況下,對周期性實時信息的調(diào)度會直接影響控制系統(tǒng)的整體性能。根據(jù)仿真實驗可以看到,RM-MEF混合調(diào)度算法在具有相同控制周期較多的場合,其調(diào)度性能要明顯好于單純的RM調(diào)度方式。根據(jù)控制系統(tǒng)的動態(tài)變化量來讓具有最大偏差的數(shù)據(jù)得以優(yōu)先調(diào)度,從而提高了系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。這種調(diào)度方式在多軸協(xié)同運動控制系統(tǒng)這類場合是十分有用的。

[1]Zhang Qi-zhi,Zhang Wei-dong.Priority Scheduling in Switched Industrial Ethernet.In：Proceedings of American Control Conference,Portland,OR,USA,2005.

[2]王萬良,蔣一波等.網(wǎng)絡(luò)控制與調(diào)度方法及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,2009.

[3]Walsh GC,Ye Hong.Scheduling of networked control systems [J].IEEEControl SystemsMagazine,2001,21(1)：57-65.