實時控制系統(tǒng)多任務(wù)反饋調(diào)度研究.pdf

1、現(xiàn)代實時控制系統(tǒng)(RTCS)通常是在實時操作系統(tǒng)(RTOS)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的,多個任務(wù)競爭性的使用有限的處理器時間。因此,處理器時間被當作是最重要的資源,需要某種調(diào)度算法來進行分配,以滿足各個任務(wù)的截止時限要求。在實時調(diào)度理論中,閉環(huán)控制任務(wù)通常是由固定的采樣周期和已知的最壞情況執(zhí)行時間(WCET)來描述。此外,對這些任務(wù)還有截止時限的要求,通常等于各自的周期?；谏鲜鰢栏窦僭O(shè),傳統(tǒng)RTCS設(shè)計被分為兩個分離的階段:設(shè)計控制器,然后配置調(diào)

2、度策略。
　　 分離設(shè)計方法盡管簡化了開發(fā)過程,但是論文指出,該方法存在以下兩方面的保守性:一方面,很多先進控制算法由于不確定性的執(zhí)行時間而難以在具有快速動態(tài)行為的實時控制系統(tǒng)得到可靠應(yīng)用；另一方面,即使對于簡單控制任務(wù),由實時調(diào)度過程引起的抖動可能嚴重損害控制性能,導(dǎo)致處理器利用率低下。因此,有必要對控制與實時調(diào)度兩方面進行集成,采用協(xié)同設(shè)計方法來克服上述保守性問題。
　　 從控制理論的觀點來看,反饋是處理不確定性的有

3、力工具,而上述兩方面保守性都是由于不確定性引起的。這就意味著可以在多任務(wù)實時調(diào)度中引入閉環(huán)控制,采用反饋控制理論的方法來設(shè)計實時調(diào)度器。作為一種協(xié)同設(shè)計手段,論文所提出的反饋調(diào)度為上述兩方面保守性問題提供整體解決方案,并且使得在有限計算資源約束的情況下,分別改進和優(yōu)化了系統(tǒng)的全局控制性能。
　　 論文主要研究成果和創(chuàng)新有:
　　 1.在對閉環(huán)控制任務(wù)的時間特性進行分析的基礎(chǔ)上,指出協(xié)同設(shè)計的主要目標是克服傳統(tǒng)分離設(shè)計所存

4、在的兩方面保守性問題。
　　 2.提出RTCS中反饋調(diào)度的一般框架。該框架存在有兩個層次上的閉環(huán)控制。其中在內(nèi)環(huán)的多任務(wù)實時調(diào)度層次上,由于存在明顯的約束條件,提出采用模型預(yù)測控制(MPC)作為反饋調(diào)度控制策略。
　　 3.針對由多個簡單控制任務(wù)組成的RTCS,提出基于MPC的動態(tài)截止時限分配算法DA-MPC,使得在有限計算資源的情況下改進RTCS的全局控制性能。DA-MPC算法在保證任務(wù)集可以被最早截止時限優(yōu)先(EDF

5、)算法調(diào)度的同時,通過MPC優(yōu)化目標來減小控制任務(wù)的截止時限使整個任務(wù)集的密度盡可能接近為100％,從而提高控制任務(wù)的優(yōu)先級,降低控制任務(wù)的輸出抖動。仿真結(jié)果表明該反饋調(diào)度算法顯著降低了由調(diào)度過程引起的控制性能損失。
　　 4.針對由一組MPC任務(wù)組成的RTCS,提出基于非精確計算模型(ICM)的優(yōu)化反饋調(diào)度算法FS-ICM,在有限計算資源的情況下使得RTCS的全局控制性能最大化。MPC任務(wù)按照ICM中的Anytime算法實現(xiàn),

6、從而允許在計算資源和控制性能之間進行折衷。FS-ICM算法通過一個新的MPC控制器為各個MPC任務(wù)動態(tài)預(yù)定處理器時間,并且采用約束條件保證任務(wù)集的可調(diào)度性和各組份的穩(wěn)定性。分析表明FS-ICM算法對MPC任務(wù)在運行時表現(xiàn)出的執(zhí)行時間變化不敏感,并用仿真實驗對算法的有效性進行了驗證。
　　 5.將所提出的反饋調(diào)度算法在供研究用的S.Ha.R.K.內(nèi)核上予以實現(xiàn),并對算法在占用系統(tǒng)資源等實現(xiàn)方面的性能進行了評價。在對幾種常見的實時內(nèi)