資源受限實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)反饋調(diào)度.pdf

1、隨著近年來(lái)信息技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(RTCS)資源受限的特征日益突出；同時(shí)，RTCS往往需要工作于負(fù)載可變的動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境中，從而導(dǎo)致系統(tǒng)中可獲取的計(jì)算、通信資源體現(xiàn)出動(dòng)態(tài)不確定性。在這種新的實(shí)現(xiàn)環(huán)境下，傳統(tǒng)以控制與調(diào)度分離為特征的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法無(wú)法提供必需的控制質(zhì)量(QoC)保障。從資源調(diào)度角度看，當(dāng)前開(kāi)環(huán)的實(shí)時(shí)調(diào)度算法在應(yīng)用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中時(shí)嚴(yán)重缺乏柔性，通常不能實(shí)現(xiàn)可用資源的優(yōu)化利用。因此，有必要發(fā)展新途徑、

2、新方法，為動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)時(shí)控制提供使能技術(shù)，并在實(shí)現(xiàn)平臺(tái)動(dòng)態(tài)資源約束下優(yōu)化整體QoC。 本文考察了計(jì)算、通信與控制等學(xué)科不斷融合的發(fā)展趨勢(shì)，立足于控制與調(diào)度協(xié)同設(shè)計(jì)的研究新思路，從動(dòng)態(tài)資源管理的獨(dú)特視角深入研究了RTCS中現(xiàn)實(shí)存在且尚待解決的一些新課題。將反饋調(diào)度作為基本技術(shù)架構(gòu)，為動(dòng)態(tài)資源約束下的RTCS性能優(yōu)化提供了一系列全新的、有效的解決方案。針對(duì)：RTCS的實(shí)際應(yīng)用需求和當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)地闡述了反饋調(diào)度的基本科學(xué)和技

3、術(shù)問(wèn)題。基于統(tǒng)一的框架平臺(tái)，重點(diǎn)考慮了CPU、能量和網(wǎng)絡(luò)帶寬這三類典型資源約束，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)了一系列適用不同場(chǎng)合的反饋調(diào)度方法，提供了閉環(huán)動(dòng)態(tài)資源調(diào)度的使能技術(shù)，從不同角度不同層面解決了反饋調(diào)度架構(gòu)中的一些關(guān)鍵性問(wèn)題，同時(shí)系統(tǒng)地解決了RTCS中瓶頸資源的動(dòng)態(tài)分配問(wèn)題，提供了柔性的QoC管理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境下的整體性能優(yōu)化。 在CPU調(diào)度方面，本文考慮處理器速率有限的多任務(wù)嵌入式控制系統(tǒng)。首先以優(yōu)化整體控制性能為目標(biāo)，給

4、出了最優(yōu)反饋調(diào)度問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述，并探討了相關(guān)的數(shù)學(xué)求解方法。為了克服數(shù)學(xué)優(yōu)化方法運(yùn)算量大、一般不適宜在線使用的缺點(diǎn)，提出了神經(jīng)反饋調(diào)度方法。該方法在降低調(diào)度開(kāi)銷的同時(shí)提供了幾乎最優(yōu)的整體控制性能，并且具備較好的適應(yīng)性、魯棒性和容錯(cuò)性等。為了在執(zhí)行時(shí)間不可獲知且存在測(cè)量噪聲的情形下實(shí)現(xiàn)有效的反饋調(diào)度，我們將模糊控制技術(shù)引入反饋調(diào)度框架體系，提出了模糊反饋調(diào)度方法。由于模糊邏輯能夠非常有效的處理非線性、非精確性和不確定性，模糊反饋調(diào)度方法不

5、依賴控制任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間參數(shù)，通過(guò)對(duì)負(fù)載和可用資源的不確定性進(jìn)行智能化處理，使得反饋調(diào)度系統(tǒng)對(duì)于時(shí)態(tài)參數(shù)的測(cè)量噪聲具有較好的魯棒性，而且易于實(shí)現(xiàn)、調(diào)度開(kāi)銷小。 在能量管理方面，本文試圖在保障嵌入式控制系統(tǒng)QoC的同時(shí)盡可能降低處理器能耗。為了有效處理CPU負(fù)載動(dòng)態(tài)變化、控制任務(wù)執(zhí)行時(shí)間不確定等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，提出了一種集成能量管理與控制質(zhì)量管理的反饋控制實(shí)時(shí)調(diào)度方法，即能量感知反饋調(diào)度。該方法利用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，通過(guò)對(duì)CPU處理速率的

6、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)來(lái)間接改變?nèi)蝿?wù)執(zhí)行時(shí)間，以控制CPU利用率。在建立了動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的解析數(shù)學(xué)模型之后，給出了一種基于控制理論的反饋調(diào)度器設(shè)計(jì)、分析方法，從而獲得了具有確定性的反饋調(diào)度性能，提供了一種有效的閉環(huán)能量管理機(jī)制。為了在能量感知反饋調(diào)度的基本框架下進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗，我們通過(guò)考察控制系統(tǒng)在可變采樣周期下的動(dòng)態(tài)特性，基于適度退化的基本思想提出了一種增強(qiáng)型能量感知反饋調(diào)度方法。該方法在利用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)對(duì)CPU速率進(jìn)行調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，根據(jù)

7、各控制回路的實(shí)際控制性能對(duì)其采樣周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了控制任務(wù)的柔性時(shí)間約束；通過(guò)在保障回路QoC的前提下盡可能增大采樣周期，獲得了更低的能耗，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)能效。 在帶寬分配方面，本文重點(diǎn)研究?jī)?yōu)先級(jí)驅(qū)動(dòng)的總線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)和基于隨機(jī)介質(zhì)訪問(wèn)機(jī)制的無(wú)線控制系統(tǒng)。針對(duì)多回路網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)，以集成控制與網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的新觀點(diǎn)進(jìn)行研究，提出了一種集成反饋調(diào)度方法，根據(jù)可用帶寬資源的動(dòng)態(tài)變化，采用一種級(jí)聯(lián)的反饋調(diào)度策略來(lái)調(diào)節(jié)采樣周期，以將

8、丟包率控制在期望的較低水平，并對(duì)可用帶寬進(jìn)行了優(yōu)化分配；為了進(jìn)一步提高整體控制性能，基于一種直接反饋調(diào)度策略，根據(jù)各控制回路的實(shí)際性能對(duì)回路優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置。該方法在低載情況下可以最大化資源利用，在系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)載時(shí)可以獲取性能的適度退化，因而能夠明顯改善整體控制性能。針對(duì)無(wú)線控制系統(tǒng)中可用鏈路資源的不確定性，我們基于跨層設(shè)計(jì)思想，提出了一種自適應(yīng)反饋調(diào)度方法。該方法在物理層和應(yīng)用層之間實(shí)現(xiàn)信息交互，以處理信號(hào)干擾和鏈路傳輸速率變化的影響

9、，并通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)丟包率來(lái)優(yōu)化控制性能。為了提高反饋調(diào)度器的響應(yīng)速度，同時(shí)盡可能降低調(diào)度開(kāi)銷，提出了面向反饋調(diào)度的事件驅(qū)動(dòng)激勵(lì)方式，從而有效增強(qiáng)了反饋調(diào)度方法的應(yīng)用效果。 本文在研究方法上突破了控制與調(diào)度分離的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，丟棄了固定時(shí)間約束的傳統(tǒng)控制任務(wù)模型，為新技術(shù)形勢(shì)下的RTCS研究開(kāi)辟了新途徑，提供了新思路、新方法。通過(guò)本文的研究，初步建立了一套系統(tǒng)化的反饋調(diào)度方法體系，從多個(gè)角度多個(gè)層面豐富了反饋調(diào)度這一新興交叉學(xué)科方向