單控制器多任務網絡化控制系統采樣點調度研究

王成功 付麗霞 張 勇 毛劍琳

(昆明理工大學信息工程與自動化學院)

單控制器多任務網絡化控制系統采樣點調度研究

王成功 付麗霞 張 勇 毛劍琳

(昆明理工大學信息工程與自動化學院)

針對單控制器多任務的交換式以太網控制系統數據傳輸和控制性能優化問題，提出了傳感器主動退避沖突采樣時間點的調度優化方法。使用TrueTime2.0工具箱搭建了單控制器多任務的交換式以太網控制系統仿真平臺進行仿真研究，并與未采用此方法的傳統系統進行了對比。仿真結果驗證了其可行性。

網絡化控制系統 交換式以太網 調度優化 退避機制 TrueTime

網絡化控制系統(Networked Control Systems，NCSs)涉及了通信技術、控制技術和計算機技術3方面[1]，它取代了傳統的點對點結構，相對于傳統的控制系統，該方式布線少、安裝方便、操作靈活。隨著以太網技術的迅猛發展，采用“全雙工+微網段”通信方式的交換式以太網[2,3]的網絡化控制系統愈發成熟，但目前其數據傳輸和控制性能還有待完善。

目前在NCSs的調度研究方向，陳丹丹等從調度優化、基于表的動靜態調度等方面總結了現有的網絡調度算法[4]；文獻[5～8]針對NCSs信息調度和控制與調度協同設計進行研究，分類介紹了NCSs中信息調度算法，然后從提高網絡控制系統綜合應用性能的角度，分析和評價了NCSs中控制與調度協同設計的研究成果。筆者借鑒文獻[5～8]，從提高網絡控制系統綜合應用性能的角度，針對目前在工業上使用的兩類交換式以太網控制系統，引入退避機制，提出了每個傳感器根據其他傳感器的采樣時間點和每個任務在控制器的執行時間主動退避沖突采樣時間點的調度方法并進行研究。使用TrueTime2.0工具箱搭建了單控制器多任務的交換式以太網NCSs仿真平臺，對此方法在一個控制器控制3個任務的兩類交換式以太網控制系統中進行了仿真并與未采用此退避機制的傳統系統進行了比較。

1 系統構成與建模

在采用交換式以太網的工業控制系統中，傳感器采集被控對象的實時數據包裝成數據包，然后通過網絡發送給控制器(如工業控制電腦，此類系統中一個控制器負責多個控制任務的計算)，控制器計算完成后將相關數據包裝成數據包通過網絡發送給相應的執行器，執行器接收到控制信號后進行相應的控制操作。筆者根據上述規則，基于TrueTime2.0工具箱搭建了一個控制器控制3個對象的兩類控制系統的仿真模型，如圖1、2所示。其中，傳感器節點和執行器節點用一個TrueTime Kernel模塊建立，控制器節點用一個TrueTime Kernel模塊建立，交換機用一個TrueTime Network模塊建立。傳感器節點和控制器節點均采用時間驅動，使用固定優先級(Fixed-Priority)調度；執行器節點采用事件驅動，使用固定優先級調度，控制數據到達時，執行相關控制操作；網絡采用交換式以太網，執行數據包的轉發操作。

圖1 共享存儲空間的控制系統模型

圖2 獨立存儲空間的控制系統模型

圖1為共享存儲空間的控制系統模型，在此控制系統中，3個傳感器發送給控制器的數據包占用同一個存儲空間，后到達的數據包會替換掉之前存在于存儲空間中的數據包。如果控制器中當前執行的任務沒有獲取到該任務所需要的數據(此檢測過程占用很少的執行時間，本實例仿真中設為0.000 25s)，則自動跳過該任務，執行下一任務。

圖2為獨立存儲空間的控制系統模型，在此控制系統中，3個傳感器發送給控制器的數據包分別占用一個存儲空間，每個存儲空間中，后到達的數據包會替換掉之前的數據包。

2 實例仿真

采用加入退避機制的方法時，3個傳感器根據標號1、2、3被分配優先級，其中標號越小優先級越高。不同標號的傳感器會互相發送包含開始時間S和采樣周期P的數據包，控制器向每個傳感器發送每個控制任務的執行時間T。標號為1的傳感器因為優先級最高不退避，標號為2的傳感器會將自己的開始時間S2與采樣周期P2的和與傳感器1發送來的(S1和P1)相比較，若S2+P2-S1-P1

本實例仿真中，控制器中3個任務的執行周期皆為0.005 00s，其中共享存儲空間的控制系統的控制器執行3個任務的時間皆為0.001 50s，獨立存儲空間的控制系統的控制器執行3個任務的時間皆為0.002 00s；所有傳感器的開始時間和采樣周期皆分別為0、0.005 00s。

2.1 共享存儲空間的控制系統輸出波形對比

共享存儲空間的控制系統輸出波形對比如圖3所示。可以看出，加入退避機制的系統，3個任務控制的3個直流電機的輸出波形走勢基本相同；未加入退避機制的系統，3個直流電機的輸出波形有明顯差距。其中，對于直流電機1，兩種控制方法的系統的輸出波形完全一致；對于直流電機2和直流電機3，未加入退避機制的系統的輸出波形分別出現了輕微和明顯的波動，表現為0.6～0.8s間波形的上下振蕩。總體而言，加入退避機制方法的系統較未加入的穩定性有所提升。

圖3 共享存儲空間的控制系統輸出波形

2.2 獨立存儲空間的控制系統輸出波形對比

獨立存儲空間的控制系統輸出波形對比如圖4所示。

圖4 獨立存儲空間的控制系統的輸出波形

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

總體而言，加入退避機制方法的系統較未加入的控制效果有所提升。在網絡化的工業控制系統中，傳感器是網絡中數據的來源，引入退避機制能盡量避免不同傳感器采集到的數據于某一集中的時間點在網絡中傳輸，造成數據排隊和網絡擁擠，使數據更合理地占用網絡帶寬，間接優化了數據傳輸。此外，由圖3、4可見，引入退避機制的系統通過使不同傳感器采集到的數據錯開上一個控制器任務的執行時間，從而使傳感器采集到的數據一到達控制器，就被需要此數據的任務獲取并執行計算，進而提高了數據的時效性，優化了數據傳輸，保證了系統的穩定性。

3 結束語

網絡化控制系統的調度問題是影響控制性能的關鍵因素之一，通過TrueTime工具箱對現在在工業控制中使用的兩類單控制器多任務的交換式以太網控制系統進行建模并進行仿真實驗。將傳感器主動退避沖突采樣時間點的調度優化方法與未采用此方法的傳統系統進行了對比分析，結果證明前者能夠優化交換式以太網的數據傳輸和控制性能，在實際的工程應用中具有一定的參考價值。

[1] Gupta R A,Chow M-Y. Networked Control System: Overview and Research Trends[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(7):2527～2535.

[2] Lee K C, Lee S. Performance Evaluation of Switched Ethernet for Networked Control Systems[C]. IEEE 2002 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society.Piscataway,NJ:IEEE,2002:3170～3175.

[3] Huang Z, Zhang Y T,Xiong H G. Modelling and Simulation of Switched Ethernet[C].Proceedings of the 2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation. New York, NY：ACM,2010:494～498.

[4] 陳丹丹, 夏立, 王海峰. 網絡控制系統中網絡調度算法的研究現狀與展望[J].化工自動化及儀表,2008,35(2):1～6.

[5] 王艷, 陳慶偉, 樊衛華, 等. 網絡控制系統控制與調度協同設計的研究進展[J].兵工學報,2007,28(1):101～106.

[6] Li W L, Zhang X B, Li H M. Co-simulation Platforms for Co-design of Networked Control Systems: An Overview[J]. Control Engineering Practice,2014,23(1):44～56.

[7] Sun L K,Wu J G. Schedule and Control Co-design for Networked Control Systems with Bandwidth Constraints[J]. Journal of the Franklin Institute,2014, 351(2):1042～1056.

[8] 牛云, 吳旭光. 分布式網絡化控制系統優化協同設計[J]. 計算機測量與控制,2011,19(3):571～574.

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

國家自然科學基金項目(61163051)；云南省教育廳科學研究基金項目(2015Y071)。

王成功(1990-)，碩士研究生，從事網絡化控制系統研究。

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

2016-07-19)