实时控制系统协同设计方法及应用研究

摘要

实时控制系统(RTCS)通常是指在实时操作系统(RTOS)上执行多个控制任务,在有限处理器资源上实现竞争性使用。实时控制系统协同设计是将控制理论与调度策略相结合,在设计控制器同时考虑调度引起的固有抖动特性对性能指标的影响,保证控制对象允许运行的性能指标。另一方面,在调度算法的研究过程中,也应考虑控制器设计参数约束,在提高任务的可调度性同时提高控制系统性能。本文以提高有限资源下实时系统控制性能为目的,对实时控制系统协同设计方法及应用进行了深入的研究,论文主要工作及创新点有:
　　 1.分析研究实时控制系统中控制和调度之间的相互影响,为系统协同设计提供支持。控制对调度的影响主要是指不同的处理机负载或不同的控制性能要求都会影响实时系统中任务的可调度性能。反之,调度引起的采样抖动和输入输出时延抖动也会在不同程度上影响控制系统性能。
　　 2.针对控制任务的不确定性引起的实时系统负载变化,提出一种自适应反馈弹性周期模型处理实时系统超载,通过检测任务作业实际执行时间,计算处理机利用率预估值,在线自适应调节任务周期来适应动态变化的系统负载,提高实时控制系统的可调度性,保证控制对象性能。仿真实例表明,该协同设计模型有效实用,并能以更灵活的方式处理实时系统超载。
　　 3.为保证实时控制系统中关键任务的可调度性并提高控制系统性能,提出一种双参数模糊调度设计算法,基于时间触发采样的计算机控制系统,对任务的控制性能和空闲时间两个特征参数进行模糊调度设计,构造一个多准则优化调度方法,在正常负载下减少所有任务的截止期错失率,提高系统的可调度性能,在系统超载时保证重要任务稳定的控制性能。
　　 4.针对抖动有界离散控制系统,提出了一种基于补偿控制算法下的稳定性判据,采用区间代数方法构建嵌入式系统实时多任务调度中离散系统闭环区间状态矩阵,利用李雅普诺夫方程和矩阵的无穷范数,导出区间系统的鲁棒稳定充分条件,实例计算表明,该判据具有较小的计算量和保守性,使用简单灵活。
　　 5.针对网络控制系统中长延时(延时超过一个任务周期)问题,提出了一种预测补偿算法与网络调度协同设计方法。当输出信号在传输过程中延时或丢失时,预测补偿算法输出控制预测值到控制对象以维持信号更新,用预测控制补偿算法设计的闭环控制系统的稳定性判据无法保证时,通过网络调度改变任务采样速率,降低控制任务网络负载。仿真表明,该方法在网络延时有界条件下可以提高网络控制系统性能。
　　 6.以深海集矿机控制系统作为应用研究对象,对深海集矿机嵌入式多任务实时控制系统进行协同设计,基于自适应反馈弹性周期任务模型,通过在线自适应调节任务周期,提高集矿机嵌入式实时控制系统的可调度性和优化对象的控制性能。实例仿真说明如何将所提出算法用于解决实时工业控制问题,为实际控制系统协同设计提供指导。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 实时控制系统分析

1.3 研究现状及面临主要问题

1.4 论文主要研究内容和结构安排

第二章 实时系统调度理论与控制系统理论分析

2.1 引言

2.2 实时系统调度理论

2.2.1 任务调度基本概念和参数定义

2.2.2 实时系统调度分类

2.2.3 实时系统调度策略与方法

2.3 控制系统理论分析

2.3.1 控制系统结构

2.3.2 控制系统分析与设计

2.3.3 计算机控制

2.4 TRUETIME仿真工具

2.5 本章小结

第三章 控制与实时调度协同设计

3.1 引言

3.2 控制对调度的影响

3.2.1 处理器负载变化对调度的影响

3.2.2 控制性能对调度的影响

3.3 调度对控制的影响

3.3.1 闭环控制任务的时间特性

3.3.2 采样周期抖动对控制任务的影响

3.3.3 输入输出时延抖动对控制任务影响

3.4 控制与实时调度协同设计

3.5 本章小结

第四章 自适应反馈弹性周期模型处理实时控制系统超载

4.1 引言

4.2 任务采样周期对控制性能的影响

4.3 反馈调度控制器模型

4.3.1 反馈调度结构

4.3.2 反馈调度器任务周期选择

4.3.3 反馈调度模型处理器利用率

4.3.4 反馈调度算法

4.3.5 反馈调度性能评估

4.4 仿真实例

4.4.1 开环调度

4.4.2 反馈调度

4.4.3 性能评估

4.5 本章小结

第五章 双参数模糊调度保证关键任务的控制性能

5.1 引言

5.2 系统模型

5.2.1 控制任务属性参数

5.2.2 系统价值率设定

5.2.3 模糊调度系统及策略

5.3 仿真

5.3.1 超载时重要任务控制性能

5.3.2 系统价值率

5.4 本章小结

第六章 抖动有界实时调度控制系统稳定性分析

6.1 引言

6.2 调度时间分析

6.2.1 抖动属性

6.2.2 抖动值范围

6.2.3 抖动对控制系统稳定性的影响

6.3 系统模型及问题描述

6.4 实时系统抖动稳定性分析方法概述

6.5 区间控制系统稳定性分析

6.5.1 区间代数相关知识

6.5.2 区间模型

6.5.3 稳定性分析

6.6 实例

6.6.1 简单直流电动机模型稳定性分析

6.6.2 仿真比较

6.7 本章小结

第七章 网络控制系统协同设计方法

7.1 引言

7.2 网络控制系统简介

7.2.1 网络控制系统结构

7.2.2 网络类型和协议

7.2.3 网络调度方法

7.2.4 网络诱导时延、丢包及其补偿方法

7.3 网络控制的预测与调度协同设计

7.3.1 网络预测控制器设计

7.3.2 PCCNS采样周期选择

7.4 实例

7.4.1 额定周期下最大延时周期数计算

7.4.2 采样周期选择

7.4.3 仿真分析

7.5 本章小结

第八章 工业应用—深海集矿机实时系统调度

8.1 引言

8.2 深海集矿机控制系统设计

8.2.1 深海集矿机水上监控子系统设计

8.2.2 深海集矿机水下测控子系统改造设计

8.3 深海集矿机嵌入式实时系统多任务调度

8.3.1 深海集矿机控制系统功能

8.3.2 深海集矿机控制系统调度策略

8.3.3 实时控制系统任务的划分

8.3.4 基于反馈控制弹性周期任务模型多任务调度

8.4 本章小结

结束语

论文主要工作总结

进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果