单控制器多任务网络化控制系统采样点调度研究

王成功 付丽霞 张 勇 毛剑琳

(昆明理工大学信息工程与自动化学院)

单控制器多任务网络化控制系统采样点调度研究

王成功 付丽霞 张 勇 毛剑琳

(昆明理工大学信息工程与自动化学院)

针对单控制器多任务的交换式以太网控制系统数据传输和控制性能优化问题，提出了传感器主动退避冲突采样时间点的调度优化方法。使用TrueTime2.0工具箱搭建了单控制器多任务的交换式以太网控制系统仿真平台进行仿真研究，并与未采用此方法的传统系统进行了对比。仿真结果验证了其可行性。

网络化控制系统 交换式以太网 调度优化 退避机制 TrueTime

网络化控制系统(Networked Control Systems，NCSs)涉及了通信技术、控制技术和计算机技术3方面[1]，它取代了传统的点对点结构，相对于传统的控制系统，该方式布线少、安装方便、操作灵活。随着以太网技术的迅猛发展，采用“全双工+微网段”通信方式的交换式以太网[2,3]的网络化控制系统愈发成熟，但目前其数据传输和控制性能还有待完善。

目前在NCSs的调度研究方向，陈丹丹等从调度优化、基于表的动静态调度等方面总结了现有的网络调度算法[4]；文献[5～8]针对NCSs信息调度和控制与调度协同设计进行研究，分类介绍了NCSs中信息调度算法，然后从提高网络控制系统综合应用性能的角度，分析和评价了NCSs中控制与调度协同设计的研究成果。笔者借鉴文献[5～8]，从提高网络控制系统综合应用性能的角度，针对目前在工业上使用的两类交换式以太网控制系统，引入退避机制，提出了每个传感器根据其他传感器的采样时间点和每个任务在控制器的执行时间主动退避冲突采样时间点的调度方法并进行研究。使用TrueTime2.0工具箱搭建了单控制器多任务的交换式以太网NCSs仿真平台，对此方法在一个控制器控制3个任务的两类交换式以太网控制系统中进行了仿真并与未采用此退避机制的传统系统进行了比较。

1 系统构成与建模

在采用交换式以太网的工业控制系统中，传感器采集被控对象的实时数据包装成数据包，然后通过网络发送给控制器(如工业控制电脑，此类系统中一个控制器负责多个控制任务的计算)，控制器计算完成后将相关数据包装成数据包通过网络发送给相应的执行器，执行器接收到控制信号后进行相应的控制操作。笔者根据上述规则，基于TrueTime2.0工具箱搭建了一个控制器控制3个对象的两类控制系统的仿真模型，如图1、2所示。其中，传感器节点和执行器节点用一个TrueTime Kernel模块建立，控制器节点用一个TrueTime Kernel模块建立，交换机用一个TrueTime Network模块建立。传感器节点和控制器节点均采用时间驱动，使用固定优先级(Fixed-Priority)调度；执行器节点采用事件驱动，使用固定优先级调度，控制数据到达时，执行相关控制操作；网络采用交换式以太网，执行数据包的转发操作。

图1 共享存储空间的控制系统模型

图2 独立存储空间的控制系统模型

图1为共享存储空间的控制系统模型，在此控制系统中，3个传感器发送给控制器的数据包占用同一个存储空间，后到达的数据包会替换掉之前存在于存储空间中的数据包。如果控制器中当前执行的任务没有获取到该任务所需要的数据(此检测过程占用很少的执行时间，本实例仿真中设为0.000 25s)，则自动跳过该任务，执行下一任务。

图2为独立存储空间的控制系统模型，在此控制系统中，3个传感器发送给控制器的数据包分别占用一个存储空间，每个存储空间中，后到达的数据包会替换掉之前的数据包。

2 实例仿真

采用加入退避机制的方法时，3个传感器根据标号1、2、3被分配优先级，其中标号越小优先级越高。不同标号的传感器会互相发送包含开始时间S和采样周期P的数据包，控制器向每个传感器发送每个控制任务的执行时间T。标号为1的传感器因为优先级最高不退避，标号为2的传感器会将自己的开始时间S2与采样周期P2的和与传感器1发送来的(S1和P1)相比较，若S2+P2-S1-P1

本实例仿真中，控制器中3个任务的执行周期皆为0.005 00s，其中共享存储空间的控制系统的控制器执行3个任务的时间皆为0.001 50s，独立存储空间的控制系统的控制器执行3个任务的时间皆为0.002 00s；所有传感器的开始时间和采样周期皆分别为0、0.005 00s。

2.1 共享存储空间的控制系统输出波形对比

共享存储空间的控制系统输出波形对比如图3所示。可以看出，加入退避机制的系统，3个任务控制的3个直流电机的输出波形走势基本相同；未加入退避机制的系统，3个直流电机的输出波形有明显差距。其中，对于直流电机1，两种控制方法的系统的输出波形完全一致；对于直流电机2和直流电机3，未加入退避机制的系统的输出波形分别出现了轻微和明显的波动，表现为0.6～0.8s间波形的上下振荡。总体而言，加入退避机制方法的系统较未加入的稳定性有所提升。

图3 共享存储空间的控制系统输出波形

2.2 独立存储空间的控制系统输出波形对比

独立存储空间的控制系统输出波形对比如图4所示。

图4 独立存储空间的控制系统的输出波形

由图4可见，对于直流电机1，两种控制方法的系统输出波形完全一致；对于直流电机2和直流电机3，加入退避机制方法的系统输出波形更加贴近于给定值。

总体而言，加入退避机制方法的系统较未加入的控制效果有所提升。在网络化的工业控制系统中，传感器是网络中数据的来源，引入退避机制能尽量避免不同传感器采集到的数据于某一集中的时间点在网络中传输，造成数据排队和网络拥挤，使数据更合理地占用网络带宽，间接优化了数据传输。此外，由图3、4可见，引入退避机制的系统通过使不同传感器采集到的数据错开上一个控制器任务的执行时间，从而使传感器采集到的数据一到达控制器，就被需要此数据的任务获取并执行计算，进而提高了数据的时效性，优化了数据传输，保证了系统的稳定性。

3 结束语

网络化控制系统的调度问题是影响控制性能的关键因素之一，通过TrueTime工具箱对现在在工业控制中使用的两类单控制器多任务的交换式以太网控制系统进行建模并进行仿真实验。将传感器主动退避冲突采样时间点的调度优化方法与未采用此方法的传统系统进行了对比分析，结果证明前者能够优化交换式以太网的数据传输和控制性能，在实际的工程应用中具有一定的参考价值。

[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] 陈丹丹, 夏立, 王海峰. 网络控制系统中网络调度算法的研究现状与展望[J].化工自动化及仪表,2008,35(2):1～6.

[5] 王艳, 陈庆伟, 樊卫华, 等. 网络控制系统控制与调度协同设计的研究进展[J].兵工学报,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, 吴旭光. 分布式网络化控制系统优化协同设计[J]. 计算机测量与控制,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

国家自然科学基金项目(61163051)；云南省教育厅科学研究基金项目(2015Y071)。

王成功(1990-)，硕士研究生，从事网络化控制系统研究。

联 系 人：付丽霞(1971-)，讲师，从事嵌入式系统研究，905771625@qq.com。

2016-07-19)