實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)多任務(wù)反饋調(diào)度研究.pdf

1、現(xiàn)代實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(RTCS)通常是在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,多個(gè)任務(wù)競爭性的使用有限的處理器時(shí)間。因此,處理器時(shí)間被當(dāng)作是最重要的資源,需要某種調(diào)度算法來進(jìn)行分配,以滿足各個(gè)任務(wù)的截止時(shí)限要求。在實(shí)時(shí)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(shí)間(WCET)來描述。此外,對這些任務(wù)還有截止時(shí)限的要求,通常等于各自的周期。基于上述嚴(yán)格假設(shè),傳統(tǒng)RTCS設(shè)計(jì)被分為兩個(gè)分離的階段:設(shè)計(jì)控制器,然后配置調(diào)

2、度策略。
　　 分離設(shè)計(jì)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(jìn)控制算法由于不確定性的執(zhí)行時(shí)間而難以在具有快速動態(tài)行為的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)調(diào)度過程引起的抖動可能嚴(yán)重?fù)p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(shí)時(shí)調(diào)度兩方面進(jìn)行集成,采用協(xié)同設(shè)計(jì)方法來克服上述保守性問題。
　　 從控制理論的觀點(diǎn)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(shí)時(shí)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(jì)實(shí)時(shí)調(diào)度器。作為一種協(xié)同設(shè)計(jì)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(jì)算資源約束的情況下,分別改進(jìn)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(shí)間特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,指出協(xié)同設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是克服傳統(tǒng)分離設(shè)計(jì)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(gè)層次上的閉環(huán)控制。其中在內(nèi)環(huán)的多任務(wù)實(shí)時(shí)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(gè)簡單控制任務(wù)組成的RTCS,提出基于MPC的動態(tài)截止時(shí)限分配算法DA-MPC,使得在有限計(jì)算資源的情況下改進(jìn)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(shí)限優(yōu)先(EDF

5、)算法調(diào)度的同時(shí),通過MPC優(yōu)化目標(biāo)來減小控制任務(wù)的截止時(shí)限使整個(gè)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(jì)算模型(ICM)的優(yōu)化反饋調(diào)度算法FS-ICM,在有限計(jì)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(shí)現(xiàn),

6、從而允許在計(jì)算資源和控制性能之間進(jìn)行折衷。FS-ICM算法通過一個(gè)新的MPC控制器為各個(gè)MPC任務(wù)動態(tài)預(yù)定處理器時(shí)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(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出的執(zhí)行時(shí)間變化不敏感,并用仿真實(shí)驗(yàn)對算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)現(xiàn),并對算法在占用系統(tǒng)資源等實(shí)現(xiàn)方面的性能進(jìn)行了評價(jià)。在對幾種常見的實(shí)時(shí)內(nèi)