基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度研究

1引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）又稱網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的控制系統(tǒng)。對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來說，由于系統(tǒng)中的信息源較多，信息的傳送要分時占用網(wǎng)絡(luò)通信線路，而網(wǎng)絡(luò)的承載能力和通信帶寬有限，從而使得信息在傳輸過程中不可避免地存在時延，并且該時延可能是固定的、時變的，甚至是隨機(jī)的。從控制的角度來看，這種時延會使系統(tǒng)的分析與設(shè)計變得更加復(fù)雜。解決網(wǎng)絡(luò)延時問題有兩種途徑：一是設(shè)計控制算法時充分考慮網(wǎng)絡(luò)延時的影響，這是控制器設(shè)計問題；二是在不考慮延時的情況下設(shè)計控制器，依靠改進(jìn)調(diào)度算法保證信息傳輸?shù)膶崟r性，確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定和性能，這屬于信息調(diào)度問題。

本文以CAN總線為研究對象，經(jīng)過對網(wǎng)絡(luò)可調(diào)度性和調(diào)度算法的分析，提出了一種改進(jìn)的混合調(diào)度算法（MTS），并利用TrueTime網(wǎng)絡(luò)控制工具箱進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真，分析調(diào)度算法對控制系統(tǒng)性能的影響，取得了較理想的效果。

2調(diào)度算法

傳統(tǒng)的計算機(jī)控制理論假設(shè)對象輸出為等距采樣，即周期性地在kT_m時刻進(jìn)行采樣，其中T_m為采樣周期。這樣的假設(shè)可以得到線性時不變數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)，并可大大簡化對系統(tǒng)穩(wěn)定性等性能的分析。然而，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時及其不確定性的存在，等距采樣在NCS中不一定能得到保證。對于NCS，一般要求滿足的主要指標(biāo)之一是延時的限定，即信息必須在限定的時間內(nèi)成功地被傳送，信息傳輸?shù)臅r間特性必須滿足系統(tǒng)的實時性要求。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度主要集中在一個節(jié)點多久可以傳送一次信息，以及傳輸信息的優(yōu)先級。判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸是否滿足該主要指標(biāo)的過程及傳輸?shù)谋ＷC叫可調(diào)度性分析。

2．1可調(diào)度性分析

信息的最糟糕響應(yīng)時間即最長等待時間是可調(diào)度與否的一個重要參數(shù)，它定義為從信息進(jìn)入發(fā)送節(jié)點的傳輸隊列到被目標(biāo)節(jié)點正確接收所需的最長時間。對任意一條信息S_m，它的最長等待時間R_m:
（1）
其中J_m――信息S_m的擾動時間，即信息被排隊的最早和最晚時間差；
I_m――信息S_m的等待延遲時間；
C_m――信息S_m的傳送時間。
要保障CAN總線信息傳輸?shù)膶崟r性，一條進(jìn)入傳輸隊列的信息必須在下一條信息到來之前發(fā)送出，如果信息未及時傳送出去，會被下一條信息所覆蓋。因此，信息的傳送必須滿足
（2）
其中D_m為信息的截止期，表示信息從產(chǎn)生到被正確接收的最大允許時間。
如果每一條信息都滿足了此條件，我們就說網(wǎng)絡(luò)是可調(diào)度的，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法選擇的目的是保證網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)度性。

2．2基本調(diào)度算法

CAN總線利用數(shù)據(jù)幀中的標(biāo)識符表示信息的來源和優(yōu)先級。標(biāo)識符既可以靜態(tài)設(shè)定，也可以動態(tài)設(shè)定，即利用標(biāo)識符可以實現(xiàn)靜態(tài)或者動態(tài)的信息優(yōu)先級。在滿足可調(diào)度性的實時調(diào)度算法中，目前常用的是優(yōu)先級驅(qū)動的實時調(diào)度算法，它可分為靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法。在靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法中，任務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級在調(diào)度過程中固定不變，如固定優(yōu)先級調(diào)度算法（FP）和單調(diào)速率算法（RM）。RM根據(jù)信息的周期分配信息的優(yōu)先級，信息的周期越小，則優(yōu)先級越高。在動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法中，任務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級隨各控制任務(wù)的執(zhí)行時間或截止時間動態(tài)變化，任務(wù)優(yōu)先級不僅僅與任務(wù)自身有關(guān)系，而且與系統(tǒng)中其他任務(wù)有關(guān)，如最早時間限優(yōu)先算法（EDF）和截止期單調(diào)算法（DM）。DM根據(jù)信息的截止期分配信息的優(yōu)先級，信息的截止期越小，則優(yōu)先級越高。

2．3改進(jìn)的混合調(diào)度算法的提出

根據(jù)動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度具有高利用率的特性，文獻(xiàn)[6]提出按照任務(wù)的絕對截止期為信息分配標(biāo)識號，并設(shè)計出一種混合調(diào)度算法（MTS）。MTS算法是一種介于靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法之間的折中算法。MTS算法的核心思想是將信息的絕對截止時間編入標(biāo)識符中，充分利用信息的標(biāo)識符反映信息截止期的變化，對高優(yōu)先級的信息使用EDF算法，對低優(yōu)先級的信息使用FP算法。由于在CAN總線中每個信息必須有唯一的標(biāo)識號，MTS把標(biāo)識號分成優(yōu)先級域、截止期域、節(jié)點域三個域，使標(biāo)識號既反映截止期的變化，又能保證唯一性。在一個典型的系統(tǒng)中，由于截止期隨著時鐘的改變而改變，因此所有信息截止期域的內(nèi)容應(yīng)該及時更新，而且還要與時鐘同步。為了解決上述問題，MTS算法采用分布式時鐘同步算法，并把時間分為幾個區(qū)間，根據(jù)截止期所在的時間區(qū)間進(jìn)行截止期域內(nèi)容的編碼。

然而，對于由多臺電動機(jī)組成的多處理器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，由于處理器的增多，以及一個采樣周期內(nèi)需要利用網(wǎng)絡(luò)傳送信息的節(jié)點增多，延時增大，這時一般的MTS算法并不適用。為提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性，這里對MTS算法進(jìn)行改進(jìn)。設(shè)原采樣周期為T_m，令
（3）
其中N為大于1的自然數(shù)，以T_N為周期進(jìn)行采樣，然而在每n次采樣中僅有一次采樣數(shù)據(jù)被通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。設(shè)在從t₀開始的一個采樣周期內(nèi)，時刻為采樣時刻，在任意一個采樣時刻進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)被成功發(fā)送，則在時刻將不再采樣。在經(jīng)過這樣的改進(jìn)后，網(wǎng)絡(luò)延時仍然存在，但信息的截止期D_m大大減小。信息傳送的等待時間如果超過截止期，數(shù)據(jù)將被拋棄，并重新采集數(shù)據(jù)等待發(fā)送，從而提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實時性。由于在一個周期內(nèi)最多進(jìn)行N次采樣，因此處理器的處理速度需要相應(yīng)提高，單片微處理器速度的大幅度提高及數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)解決了這一問題。

3基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真

TrueTime工具箱是DanHenriksson和AntonCervin等學(xué)者開發(fā)的一種基于Matlab的網(wǎng)絡(luò)控制仿真工具箱，它為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究提供了很好的研究工具。

3．1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺的構(gòu)建

利用TrueTime工具箱，構(gòu)建由一臺計算機(jī)通過CAN總線控制四臺直流電動機(jī)的多處理器網(wǎng)絡(luò)控制仿真系統(tǒng)，分析調(diào)度算法對控制性能的影響，仿真原理圖如圖1所示。

圖1網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真原理圖

被控直流電動機(jī)用以下的傳遞函數(shù)表示：
（4）
在普通PID數(shù)字控制器中引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差、提高精度，但在電機(jī)啟動或停止時，會造成PID運(yùn)算的積分積累，最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)的震蕩，所以實際應(yīng)用中宜采用積分分離PID控制算法。