西門子S7-400模塊         西門子S7-400模塊

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1 引言

    網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS）又稱網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng),，即在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)的控制系統(tǒng),。對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來說，由于系統(tǒng)中的信息源較多,，信息的傳送要分時占用網(wǎng)絡(luò)通信線路,，而網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)的分析與設(shè)計變得更加復(fù)雜,。解決網(wǎng)絡(luò)延時問題有兩種途徑：一是設(shè)計控制算法時充分考慮網(wǎng)絡(luò)延時的影響,，這是控制器設(shè)計問題；二是在不考慮延時的情況下設(shè)計控制器,，依靠改進調(diào)度算法保證信息傳輸?shù)膶崟r性,，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定和性能,，這屬于信息調(diào)度問題,。

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

2 調(diào)度算法

    傳統(tǒng)的計算機控制理論假設(shè)對象輸出為等距采樣，即周期性地在kTm時刻進行采樣，其中Tm為采樣周期,。這樣的假設(shè)可以得到線性時不變數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng),，并可大大簡化對系統(tǒng)穩(wěn)定性等性能的分析。然而,，由于網(wǎng)絡(luò)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(biāo)之一是延時的限定,，即信息必須在限定的時間內(nèi)成功地被傳送，信息傳輸?shù)臅r間特性必須滿足系統(tǒng)的實時性要求,。網(wǎng)絡(luò)調(diào)度主要集中在一個節(jié)點多久可以傳送一次信息,，以及傳輸信息的優(yōu)先級。判斷網(wǎng)絡(luò)傳輸是否滿足該主要指標(biāo)的過程及傳輸?shù)谋ＷC叫可調(diào)度性分析,。

2．1 可調(diào)度性分析

    信息的糟糕響應(yīng)時間即長等待時間是可調(diào)度與否的一個重要參數(shù),，它定義為從信息進入發(fā)送節(jié)點的傳輸隊列到被目標(biāo)節(jié)點正確接收所需的長時間。對任意一條信息Sm,，它的長等待時間Rm:
       （1）
    其中 Jm——信息Sm的擾動時間,，即信息被排隊的早和晚時間差；
        Im——信息Sm的等待延遲時間,；
        Cm——信息Sm的傳送時間,。
    要保障CAN總線信息傳輸?shù)膶崟r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(fā)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Dm為信息的截止期,，表示信息從產(chǎn)生到被正確接收的大允許時間。
如果每一條信息都滿足了此條件,，我們就說網(wǎng)絡(luò)是可調(diào)度的,，網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法選擇的目的是保證網(wǎng)絡(luò)的可調(diào)度性。

2．2 基本調(diào)度算法

    CAN總線利用數(shù)據(jù)幀中的標(biāo)識符表示信息的來源和優(yōu)先級,。標(biāo)識符既可以靜態(tài)設(shè)定,，也可以動態(tài)設(shè)定，即利用標(biāo)識符可以實現(xiàn)靜態(tài)或者動態(tài)的信息優(yōu)先級,。在滿足可調(diào)度性的實時調(diào)度算法中,，目前常用的是優(yōu)先級驅(qū)動的實時調(diào)度算法，它可分為靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法,。在靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法中,，任務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級在調(diào)度過程中固定不變,，如固定優(yōu)先級調(diào)度算法（FP）和單調(diào)速率算法（RM）。RM根據(jù)信息的周期分配信息的優(yōu)先級,，信息的周期越小,，則優(yōu)先級越高。在動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法中,，任務(wù)調(diào)度的優(yōu)先級隨各控制任務(wù)的執(zhí)行時間或截止時間動態(tài)變化,，任務(wù)優(yōu)先級不僅僅與任務(wù)自身有關(guān)系，而且與系統(tǒng)中其他任務(wù)有關(guān),，如早時間限優(yōu)先算法（EDF）和截止期單調(diào)算法（DM）,。DM根據(jù)信息的截止期分配信息的優(yōu)先級，信息的截止期越小,，則優(yōu)先級越高,。

2．3 改進的混合調(diào)度算法的提出

    根據(jù)動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度具有高利用率的特性，文獻[6]提出按照任務(wù)的截止期為信息分配標(biāo)識號,，并設(shè)計出一種混合調(diào)度算法（MTS）,。MTS算法是一種介于靜態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法和動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度算法之間的折中算法。MTS算法的核心思想是將信息的截止時間編入標(biāo)識符中,，充分利用信息的標(biāo)識符反映信息截止期的變化,，對高優(yōu)先級的信息使用EDF算法，對低優(yōu)先級的信息使用FP算法,。由于在CAN總線中每個信息必須有的標(biāo)識號,，MTS把標(biāo)識號分成優(yōu)先級域、截止期域,、節(jié)點域三個域,，使標(biāo)識號既反映截止期的變化，又能保證性,。在一個典型的系統(tǒng)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(nèi)容應(yīng)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(qū)間，根據(jù)截止期所在的時間區(qū)間進行截止期域內(nèi)容的編碼,。

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

3 基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真

    TrueTime工具箱是Dan Henriksson和Anton Cervin等學(xué)者開發(fā)的一種基于Matlab的網(wǎng)絡(luò)控制仿真工具箱，它為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究提供了很好的研究工具,。

隨著微電子技術(shù),、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)運而生的自動檢測設(shè)備也廣泛地應(yīng)用于我軍武器裝備系統(tǒng)的研制,、生產(chǎn),、儲供和維修的各環(huán)節(jié)之中。自動檢測技術(shù)在武器裝備系統(tǒng)中的應(yīng)用,，已構(gòu)成武器裝備維修工程的重要內(nèi)容之一,，自動檢測的手段和水平，已成為衡量維修現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志,。

　　由于自動檢測設(shè)備在技術(shù)上的不斷發(fā)展,，目前正在形成模塊化、系列化和通用化,、自動化和智能化,、標(biāo)準化的發(fā)展方向。機動作戰(zhàn),、戶外測試及機內(nèi)測試需要有體積小,、便攜式的測試儀器,。PC104作為一種嵌入式計算機系統(tǒng)的模塊標(biāo)準，內(nèi)有 ISA 與 PCI 總線,，與PC/AT總線*兼容,。PC104系列模塊具有標(biāo)準化、體積?。?0mm× 96mm）,、功耗低、溫度性能好,、可靠性高,、抗震動與沖擊能力強等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于軍用電子設(shè)備,、航空導(dǎo)航,、測試及智能儀器儀表和測量設(shè)備中