單控制器多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)采樣點(diǎn)調(diào)度研究

王成功 付麗霞 張 勇 毛劍琳

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院)

單控制器多任務(wù)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)采樣點(diǎn)調(diào)度研究

王成功 付麗霞 張 勇 毛劍琳

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院)

針對(duì)單控制器多任務(wù)的交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和控制性能優(yōu)化問題，提出了傳感器主動(dòng)退避沖突采樣時(shí)間點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)化方法。使用TrueTime2.0工具箱搭建了單控制器多任務(wù)的交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)進(jìn)行仿真研究，并與未采用此方法的傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。仿真結(jié)果驗(yàn)證了其可行性。

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng) 交換式以太網(wǎng) 調(diào)度優(yōu)化 退避機(jī)制 TrueTime

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)(Networked Control Systems，NCSs)涉及了通信技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)3方面[1]，它取代了傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，該方式布線少、安裝方便、操作靈活。隨著以太網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，采用“全雙工+微網(wǎng)段”通信方式的交換式以太網(wǎng)[2,3]的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)愈發(fā)成熟，但目前其數(shù)據(jù)傳輸和控制性能還有待完善。

目前在NCSs的調(diào)度研究方向，陳丹丹等從調(diào)度優(yōu)化、基于表的動(dòng)靜態(tài)調(diào)度等方面總結(jié)了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法[4]；文獻(xiàn)[5～8]針對(duì)NCSs信息調(diào)度和控制與調(diào)度協(xié)同設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，分類介紹了NCSs中信息調(diào)度算法，然后從提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用性能的角度，分析和評(píng)價(jià)了NCSs中控制與調(diào)度協(xié)同設(shè)計(jì)的研究成果。筆者借鑒文獻(xiàn)[5～8]，從提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用性能的角度，針對(duì)目前在工業(yè)上使用的兩類交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，引入退避機(jī)制，提出了每個(gè)傳感器根據(jù)其他傳感器的采樣時(shí)間點(diǎn)和每個(gè)任務(wù)在控制器的執(zhí)行時(shí)間主動(dòng)退避沖突采樣時(shí)間點(diǎn)的調(diào)度方法并進(jìn)行研究。使用TrueTime2.0工具箱搭建了單控制器多任務(wù)的交換式以太網(wǎng)NCSs仿真平臺(tái)，對(duì)此方法在一個(gè)控制器控制3個(gè)任務(wù)的兩類交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)中進(jìn)行了仿真并與未采用此退避機(jī)制的傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

1 系統(tǒng)構(gòu)成與建模

在采用交換式以太網(wǎng)的工業(yè)控制系統(tǒng)中，傳感器采集被控對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包裝成數(shù)據(jù)包，然后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制器(如工業(yè)控制電腦，此類系統(tǒng)中一個(gè)控制器負(fù)責(zé)多個(gè)控制任務(wù)的計(jì)算)，控制器計(jì)算完成后將相關(guān)數(shù)據(jù)包裝成數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行器，執(zhí)行器接收到控制信號(hào)后進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。筆者根據(jù)上述規(guī)則，基于TrueTime2.0工具箱搭建了一個(gè)控制器控制3個(gè)對(duì)象的兩類控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖1、2所示。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)用一個(gè)TrueTime Kernel模塊建立，控制器節(jié)點(diǎn)用一個(gè)TrueTime Kernel模塊建立，交換機(jī)用一個(gè)TrueTime Network模塊建立。傳感器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)均采用時(shí)間驅(qū)動(dòng)，使用固定優(yōu)先級(jí)(Fixed-Priority)調(diào)度；執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用事件驅(qū)動(dòng)，使用固定優(yōu)先級(jí)調(diào)度，控制數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，執(zhí)行相關(guān)控制操作；網(wǎng)絡(luò)采用交換式以太網(wǎng)，執(zhí)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)操作。

圖1 共享存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)模型

圖2 獨(dú)立存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)模型

圖1為共享存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)模型，在此控制系統(tǒng)中，3個(gè)傳感器發(fā)送給控制器的數(shù)據(jù)包占用同一個(gè)存儲(chǔ)空間，后到達(dá)的數(shù)據(jù)包會(huì)替換掉之前存在于存儲(chǔ)空間中的數(shù)據(jù)包。如果控制器中當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)沒有獲取到該任務(wù)所需要的數(shù)據(jù)(此檢測(cè)過程占用很少的執(zhí)行時(shí)間，本實(shí)例仿真中設(shè)為0.000 25s)，則自動(dòng)跳過該任務(wù)，執(zhí)行下一任務(wù)。

圖2為獨(dú)立存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)模型，在此控制系統(tǒng)中，3個(gè)傳感器發(fā)送給控制器的數(shù)據(jù)包分別占用一個(gè)存儲(chǔ)空間，每個(gè)存儲(chǔ)空間中，后到達(dá)的數(shù)據(jù)包會(huì)替換掉之前的數(shù)據(jù)包。

2 實(shí)例仿真

采用加入退避機(jī)制的方法時(shí)，3個(gè)傳感器根據(jù)標(biāo)號(hào)1、2、3被分配優(yōu)先級(jí)，其中標(biāo)號(hào)越小優(yōu)先級(jí)越高。不同標(biāo)號(hào)的傳感器會(huì)互相發(fā)送包含開始時(shí)間S和采樣周期P的數(shù)據(jù)包，控制器向每個(gè)傳感器發(fā)送每個(gè)控制任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間T。標(biāo)號(hào)為1的傳感器因?yàn)閮?yōu)先級(jí)最高不退避，標(biāo)號(hào)為2的傳感器會(huì)將自己的開始時(shí)間S2與采樣周期P2的和與傳感器1發(fā)送來的(S1和P1)相比較，若S2+P2-S1-P1

本實(shí)例仿真中，控制器中3個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期皆為0.005 00s，其中共享存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)的控制器執(zhí)行3個(gè)任務(wù)的時(shí)間皆為0.001 50s，獨(dú)立存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)的控制器執(zhí)行3個(gè)任務(wù)的時(shí)間皆為0.002 00s；所有傳感器的開始時(shí)間和采樣周期皆分別為0、0.005 00s。

2.1 共享存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)輸出波形對(duì)比

共享存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)輸出波形對(duì)比如圖3所示?？梢钥闯?，加入退避機(jī)制的系統(tǒng)，3個(gè)任務(wù)控制的3個(gè)直流電機(jī)的輸出波形走勢(shì)基本相同；未加入退避機(jī)制的系統(tǒng)，3個(gè)直流電機(jī)的輸出波形有明顯差距。其中，對(duì)于直流電機(jī)1，兩種控制方法的系統(tǒng)的輸出波形完全一致；對(duì)于直流電機(jī)2和直流電機(jī)3，未加入退避機(jī)制的系統(tǒng)的輸出波形分別出現(xiàn)了輕微和明顯的波動(dòng)，表現(xiàn)為0.6～0.8s間波形的上下振蕩。總體而言，加入退避機(jī)制方法的系統(tǒng)較未加入的穩(wěn)定性有所提升。

圖3 共享存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)輸出波形

2.2 獨(dú)立存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)輸出波形對(duì)比

獨(dú)立存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)輸出波形對(duì)比如圖4所示。

圖4 獨(dú)立存儲(chǔ)空間的控制系統(tǒng)的輸出波形

由圖4可見，對(duì)于直流電機(jī)1，兩種控制方法的系統(tǒng)輸出波形完全一致；對(duì)于直流電機(jī)2和直流電機(jī)3，加入退避機(jī)制方法的系統(tǒng)輸出波形更加貼近于給定值。

總體而言，加入退避機(jī)制方法的系統(tǒng)較未加入的控制效果有所提升。在網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)控制系統(tǒng)中，傳感器是網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的來源，引入退避機(jī)制能盡量避免不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)于某一集中的時(shí)間點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，造成數(shù)據(jù)排隊(duì)和網(wǎng)絡(luò)擁擠，使數(shù)據(jù)更合理地占用網(wǎng)絡(luò)帶寬，間接優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸。此外，由圖3、4可見，引入退避機(jī)制的系統(tǒng)通過使不同傳感器采集到的數(shù)據(jù)錯(cuò)開上一個(gè)控制器任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，從而使傳感器采集到的數(shù)據(jù)一到達(dá)控制器，就被需要此數(shù)據(jù)的任務(wù)獲取并執(zhí)行計(jì)算，進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)的時(shí)效性，優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的調(diào)度問題是影響控制性能的關(guān)鍵因素之一，通過TrueTime工具箱對(duì)現(xiàn)在在工業(yè)控制中使用的兩類單控制器多任務(wù)的交換式以太網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。將傳感器主動(dòng)退避沖突采樣時(shí)間點(diǎn)的調(diào)度優(yōu)化方法與未采用此方法的傳統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果證明前者能夠優(yōu)化交換式以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和控制性能，在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。

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SchedulingofSamplingPointsofSingleControllerMulti-taskNetworkedControlSystem

WANG Cheng-gong, FU Li-xia, ZHANG Yong, MAO Jian-lin

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScienceandTechnology)

Aiming at both data transmission and optimizing control performance of single controller and multi-task switched ethernet control system, the scheduling optimization method for the sensor which actively retreating from the conflict sampling time and points was proposed. Making use of TrueTime2.0 toolbox to build a simulation platform for single controller and multi-task switched ethernet control system was implemented and then having it compared with traditional control system. The simulation results verify the feasibility of this method.

networked control system, switched Ethernet, scheduling optimization, back-off mechanism, TureTime

TP272

A

1000-3932(2017)01-0012-04

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61163051)；云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2015Y071)。

王成功(1990-)，碩士研究生，從事網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)研究。

聯(lián) 系 人：付麗霞(1971-)，講師，從事嵌入式系統(tǒng)研究，905771625@qq.com。

2016-07-19)