基于CAN總線的網絡控制系統調度研究

1引言

網絡控制系統（NCS）又稱網絡化的控制系統，即在網絡環境下實現的控制系統。對網絡控制系統來說，由于系統中的信息源較多，信息的傳送要分時占用網絡通信線路，而網絡的承載能力和通信帶寬有限，從而使得信息在傳輸過程中不可避免地存在時延，并且該時延可能是固定的、時變的，甚至是隨機的。從控制的角度來看，這種時延會使系統的分析與設計變得更加復雜。解決網絡延時問題有兩種途徑：一是設計控制算法時充分考慮網絡延時的影響，這是控制器設計問題；二是在不考慮延時的情況下設計控制器，依靠改進調度算法保證信息傳輸的實時性，確保控制系統的穩定和性能，這屬于信息調度問題。

本文以CAN總線為研究對象，經過對網絡可調度性和調度算法的分析，提出了一種改進的混合調度算法（MTS），并利用TrueTime網絡控制工具箱進行網絡控制系統的仿真，分析調度算法對控制系統性能的影響，取得了較理想的效果。

2調度算法

傳統的計算機控制理論假設對象輸出為等距采樣，即周期性地在kT_m時刻進行采樣，其中T_m為采樣周期。這樣的假設可以得到線性時不變數據采樣系統，并可大大簡化對系統穩定性等性能的分析。然而，由于網絡傳輸延時及其不確定性的存在，等距采樣在NCS中不一定能得到保證。對于NCS，一般要求滿足的主要指標之一是延時的限定，即信息必須在限定的時間內成功地被傳送，信息傳輸的時間特性必須滿足系統的實時性要求。網絡調度主要集中在一個節點多久可以傳送一次信息，以及傳輸信息的優先級。判斷網絡傳輸是否滿足該主要指標的過程及傳輸的保證叫可調度性分析。

2．1可調度性分析

信息的最糟糕響應時間即最長等待時間是可調度與否的一個重要參數，它定義為從信息進入發送節點的傳輸隊列到被目標節點正確接收所需的最長時間。對任意一條信息S_m，它的最長等待時間R_m:
（1）
其中J_m――信息S_m的擾動時間，即信息被排隊的最早和最晚時間差；
I_m――信息S_m的等待延遲時間；
C_m――信息S_m的傳送時間。
要保障CAN總線信息傳輸的實時性，一條進入傳輸隊列的信息必須在下一條信息到來之前發送出，如果信息未及時傳送出去，會被下一條信息所覆蓋。因此，信息的傳送必須滿足
（2）
其中D_m為信息的截止期，表示信息從產生到被正確接收的最大允許時間。
如果每一條信息都滿足了此條件，我們就說網絡是可調度的，網絡調度算法選擇的目的是保證網絡的可調度性。

2．2基本調度算法

CAN總線利用數據幀中的標識符表示信息的來源和優先級。標識符既可以靜態設定，也可以動態設定，即利用標識符可以實現靜態或者動態的信息優先級。在滿足可調度性的實時調度算法中，目前常用的是優先級驅動的實時調度算法，它可分為靜態優先級調度算法和動態優先級調度算法。在靜態優先級調度算法中，任務調度的優先級在調度過程中固定不變，如固定優先級調度算法（FP）和單調速率算法（RM）。RM根據信息的周期分配信息的優先級，信息的周期越小，則優先級越高。在動態優先級調度算法中，任務調度的優先級隨各控制任務的執行時間或截止時間動態變化，任務優先級不僅僅與任務自身有關系，而且與系統中其他任務有關，如最早時間限優先算法（EDF）和截止期單調算法（DM）。DM根據信息的截止期分配信息的優先級，信息的截止期越小，則優先級越高。

2．3改進的混合調度算法的提出

根據動態優先級調度具有高利用率的特性，文獻[6]提出按照任務的絕對截止期為信息分配標識號，并設計出一種混合調度算法（MTS）。MTS算法是一種介于靜態優先級調度算法和動態優先級調度算法之間的折中算法。MTS算法的核心思想是將信息的絕對截止時間編入標識符中，充分利用信息的標識符反映信息截止期的變化，對高優先級的信息使用EDF算法，對低優先級的信息使用FP算法。由于在CAN總線中每個信息必須有唯一的標識號，MTS把標識號分成優先級域、截止期域、節點域三個域，使標識號既反映截止期的變化，又能保證唯一性。在一個典型的系統中，由于截止期隨著時鐘的改變而改變，因此所有信息截止期域的內容應該及時更新，而且還要與時鐘同步。為了解決上述問題，MTS算法采用分布式時鐘同步算法，并把時間分為幾個區間，根據截止期所在的時間區間進行截止期域內容的編碼。

然而，對于由多臺電動機組成的多處理器網絡控制系統，由于處理器的增多，以及一個采樣周期內需要利用網絡傳送信息的節點增多，延時增大，這時一般的MTS算法并不適用。為提高網絡控制系統的實時性，這里對MTS算法進行改進。設原采樣周期為T_m，令
（3）
其中N為大于1的自然數，以T_N為周期進行采樣，然而在每n次采樣中僅有一次采樣數據被通過網絡發送。設在從t₀開始的一個采樣周期內，時刻為采樣時刻，在任意一個采樣時刻進行采樣的數據被成功發送，則在時刻將不再采樣。在經過這樣的改進后，網絡延時仍然存在，但信息的截止期D_m大大減小。信息傳送的等待時間如果超過截止期，數據將被拋棄，并重新采集數據等待發送，從而提高網絡控制系統的實時性。由于在一個周期內最多進行N次采樣，因此處理器的處理速度需要相應提高，單片微處理器速度的大幅度提高及數字信號處理器的出現解決了這一問題。

3基于CAN總線的網絡控制系統仿真

TrueTime工具箱是DanHenriksson和AntonCervin等學者開發的一種基于Matlab的網絡控制仿真工具箱，它為網絡控制系統的研究提供了很好的研究工具。

3．1網絡控制系統仿真平臺的構建

利用TrueTime工具箱，構建由一臺計算機通過CAN總線控制四臺直流電動機的多處理器網絡控制仿真系統，分析調度算法對控制性能的影響，仿真原理圖如圖1所示。

圖1網絡控制系統仿真原理圖

被控直流電動機用以下的傳遞函數表示：
（4）
在普通PID數字控制器中引入積分環節的目的主要是為了消除靜差、提高精度，但在電機啟動或停止時，會造成PID運算的積分積累，最終引起系統較大的超調，甚至引起系統的震蕩，所以實際應用中宜采用積分分離PID控制算法。