网络控制系统可并行化方法及其调度管理

摘要

先进控制虽然可以提供较高的控制品质,但由于其中大量耗时的复杂计算,其应用受到极大限制.并行计算由于可以利用并行计算机或分布式计算机系统提供单个处理器所不具备的计算能力,因而可以为实施网络化的先进控制提供有力的支持.功能块则是实现网络控制系统(NCS)并行的基础.该文介绍了功能块的基本概念,在此基础上给出了两类NCS并行化方法,即单回路NCS的流水线并行与基于功能块的NCS中控制算法的并行.这两类系统的并行化可以有效地利用系统资源,提高控制回路的采样速率,从而提高控制精度.NCS的并行化可以带来运算效率的提高,优化系统资源利用率,然而由于NCS本身的一些特性(如控制系统的数据必须要通过网络来传输),给NCS的并行化带来了一些困难,如并行后可能导致传输时延的增加,而这又会反过来影响系统性能的下降.此外,NCS的并行还带来了控制算法的并行化,软件硬件的重构等问题.针对其中时延增大的问题,该文从通讯的角度出发,以CAN总线网络控制系统为例,阐述了实行并行控制后,总线网络的负荷状况,并且详细分析了数据在各个网络节点传输时的时延状况.在此基础上,针对总线网络负荷增大的问题,结合网络控制系统的特点,提出对实行并行后的网络控制系统进行QoS管理的思想,并设计了相应的QoS管理策略,以求提供一种反馈式闭环资源调度策略,来协调因并行而增大的时延与系统性能提高的矛盾.最后,该文给出了一种基于FTTCAN总线协议的QoS适度退化策略,在传感器采样能力较为充分的前提下,利用FTTCAN中的主节点作为QoS管理器,对QoS适度退化策略进行了具体化的设计.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1先进控制算法及其有限应用

1.2控制系统的网络化发展

1.3控制算法执行方式与并行计算

1.4待解决的问题

1.5一些解决方法

1.6本文所做工作

1.6.1基本思想

1.6.2具体工作

1.6.3内容安排

第二章网络控制系统实时调度理论

2.1网络控制系统中的时延问题

2.2实时调度理论

2.2.1实时调度算法

2.2.2几类调度模型

2.2.3非周期性任务调度

2.2.4反馈控制实时调度

2.3 NCS调度算法的特点

2.4本章小结

第三章两类NCS的并行化方法

3.1功能块简介

3.2基于功能块的NCS

3.3单回路NCS的并行

3.3.1流水线并行

3.3.2单回路NCS的流水线并行

3.4基于功能块的控制算法优化配置

3.4.1复杂控制算法的顺序执行

3.4.2复杂控制算法的并行执行

3.5本章小结

第四章并行NCS的QOS管理

4.1 NCS的并行所带来的问题

4.2 QoS管理及其策略

4.2.1并行NCS的QoS管理

4.2.2并行NCS的QOS管理策略

4.3仿真实例

4.3.1仿真模型构造及其设定

4.3.2仿真结果及其分析

4.4本章小结

第五章NCS的适度退化策略及其在FTTCAN中的实现

5.1控制与通讯的集成

5.2冗余采样

5.2.1基本思想

5.2.2 FTT-CAN总线协议简介

5.2.3冗余采样方式下适度退化机制的实现

5.2.4系统约束分析

5.2.5数据传输过程

5.2.6离散控制模型

5.3适度退化策略

5.4本章小结

第六章总结与展望

附录A实时系统仿真软件TrueTime简介

附录B由TrueTime构建的Matlab仿真模型

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间完成的学术论文

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