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一个可以为控制应用程序的概要文件优化的网络化嵌入式系统
摘要
近年来,为资源受限的系统去提升控制性能并优化的方法(如控制性能优化，网络化嵌入式系统)已经受到了不断增加关注。在关注的人群中的大多数注重理论,而在实践方面都有所省略了。现在我们提出一个控制器区域网络(CAN)应用程序概要文件,它允许快速实现网络化嵌入式系统控制性能优化。首先本文选择了CAN网络，在这之后提出了特定的应用程序的配置文件，在本文结束时显示出了仿真结果，验证了概要文件的适用性。
绪论
在网络化的嵌入式系统,限制资源,比如说处理器容量或网络带宽限制应用程序的性能。它能最大化应用程序性能需要有效地利用稀缺资源，同时，实时理论解决问题的资源分配和调度以满足实时性能规范。然而,对于控制系统,应用标准调度理论不足以保证最佳的控制性能。因此它指出[1]动态合作设计方法是成功的关键设计和实现灵活的嵌入式实时控制系统。
近年来,为资源受限的系统去提升控制性能并优化的方法已经受到了不断增加的关注。例如,在线共同设计的控制方法和处理器分配可以在[2]和[3]中找到。大多数这些方法侧重于理论,而实践方面都省略了许多,以及他们的扩展网络架构很少被提及。一个针对网络控制系统的合作设计方法被[4]提出。
在本文中,我们应用资源分配理论结果就如[3]中提出的网络化嵌入式系统一样。在[3]中,作者介绍了最优动态资源管理政策控制任务分配处理器在运行时基于从控制器的工作表现的反馈信息。首先,我们将讨论如何利用这个结果最优管理带宽在网络化的嵌入式控制系统。为此,我们确定所需的最关键方面是实施最优政策分配。后来,我们审查是否有所知名的通信范例(例如master /slave, token ring)可以被用于实现。经过讨论表明,控制器区域网络(can，[5]),网络是一个很好的候选方法。
接下来,我们描述如何最优政策可以实现。这需要指定节点的类型(传感器、控制器和执行器),并在它们之间交换的消息类。本方法以应用程序概要文件的定义根据网络化嵌入式系统控制性能优化。最后我们显示仿真结果,验证了概要文件的适用性。
背景
在这一节中总结了[3]中给出的理论结果。单处理器系统与多个控制回路被我们所考虑到，由于资源的限制,控制器不能同时运行在尽可能高的采样频率,因此无法提供最好的控制性能(相当于他们将提供如果他们运行在隔离)。我们需要去要解决的问题是如何分配稀缺的CPU资源的控制器,以便整体控制性能最大化(或最小化资源使用情况),众所周知控制器将会在给予更多的资源时提供更好的 控制性能。
这个问题可以被制定为一个线性约束优化问题[6]。此问题的解决方案是一个可行的算法的计算复杂度)运行时资源管理器,并提供最优资源分配政策控制任务。
1.问题形式化
有n个控制器,控制每一个工厂并且相互竞争计算资源。每个我都可以通过普通的向量微分方程(1)和(2)来描述,
x ˙i(t) = fi(xi(t), ui(t), t) t isin; R (1)
yi(t) = di(xi(t)) (2)
功能fi和di是线性的，ui(t)是控制动力系统的输入，然后向量xi(t) =[x1 i (t), . . . , xn i (t)]T时刻系统的状态,称为状态变量及其元素。
状态向量的规范(也称为错误)，(3)
ei = |xi(t)| (3)
反馈的信息是用于每个控制器的系统重新分配资源的ri。
每个控制任务实现了三个主要的行动被执行在每个闭环操作顺序(采样、控制算法计算,驱动),它的特点是它的周期嗨(对应于采样周期),它的最坏情况执行时间Ci,我们指定期限等于其周期。每个任务的部分利用系数ri,也叫做率。
它是CPU共享(资源需求),每个控制任务的要求对于一个给定的时期。此外,对于每个控制任务我们指定一个性能标准pi(ri)，它代表了控制性能在不同任务下的率,ri。每个性能判据pi(ri)近似(如[2]提出的)通过一个线性增加功能,
pi(ri) = alpha;iri beta;i (5)
为每个控制回路建立以下关系:当率越高(也就是越短的采样周期)控制器,控制性能越好。参数alpha;i和beta;i在(5)中是特定为每个控制回路和之前可以获得系统运行时的参数。
总而言之,在系统层面上,每个控制任务tau;i可以表现为速度ri(这是一个描述的系统),其性能指标pi(系统资源和控制性能的关系),以及其控制系统误差ei(这是一个控制特性),是由公式(6)来讲述，
tau;i = {ri, pi, ei} (6)
根据这些信息,对于一个给定的一组n控制任务,tau;1，hellip;..，tau;n的问题是确定任务利率ri,i = 1,hellip;..,n,这样所有的任务可调度和控制系统的整体性能都会被我们最大化。
2.最优状态反馈资源分配策略
正如[3]中所示,我们可以把资源分配问题作为一个约束优化问题,
目标函数的加权(wi)的总和所有个人费用由每个控制器来负担。每一个成本是由每个性能标准错误ei r重复按比例缩小的pi(ri)。Ud是全球资源利用率因素所需的控制任务的集合的一次最低份额被授权者每个控制回路。由于目标函数是线性的,所以解决方案r =(r1、r2,hellip;hellip;,rn)可以通过标准的优化解决方案,并给出了以下定理:
定理1：最优解r = [r1, r2, . . . , rn]的优化问题根据公式(7)和(8)可以得到 r = [0, 0, . . . , 0, ri =Ud, 0, . . . , 0], 1 le; i le; n, 如果控制任务的集合是由(6)描述的那样的话，这样wieialpha;i 的最大值就是forall;i isin; [1 . . . n]。
观察1：在资源配置方面,这个定理指出,我们应该分配剩余的所有可用的CPU(Ud)与最大控制任务wieialpha;i。如果所有功能pi;和权重wi是相同的,这个定理规定控制任务最大的错误应该得到剩余的所有资源在每个任务已收到其最小值。
观察2：最优政策的应用程序需要实现的控制器能够运行在不同的采样频率。对于每个控制器,我们指定一个范围的采样时间hi = [hi,min, . . . , hi,max] 让闭环的需求得到满足,并允许控制器执行的运行时期间属于指定范围,调整相应的收益(以下[7]中提出的技术)。可以分析稳定性例如使用[8]中描述的方法。
观察3：最优政策的实现需要跟踪任务的最大wieipi。因此,有必要拥有所有这些信息集中在资源管理器分配任务。
对分布式的实现
本文的理论结果的适用性的处理器架构将扩展到网络体系结构。在网络体系结构中,每个工厂(描述方程(1)和(2))和控制器构成一个闭环,每个控制器被认为是实现在不同的节点。对节点执行抽样,控制算法计算和/或驱动和信息交换样品和/或控制信号通过网络共享的所有节点的控制回路。因此,网络带宽的分配稀缺的共享资源,必须控制任务
1.要解决的任务
对于每个控制回路,在每个采样周期嗨,所需的时间花在消息传递来执行每个闭环运行，它可能通过mi进行包括数据交换从传感器到控制器,控制器和执行机构。mi被假定为常数,并且应该发生在每一个时期。类似于CPU利用率,每个控制回路的部分利用系数配置网络,也被称为带宽bi, 在一个给定的时期对每个控制回路配置需要的资源需求。
分布式配置问题类似于集中的问题:如何分配稀缺的网络带宽的控制回路是大家都想知道的,只有这样所有消息是可调度的,才能让整体控制性能最大化,让控制器将会提供更好的性能得到更多的网络带宽。
这个比喻许可应用理论上最优解定理1中所述的网络情况。然而,它的实用性并不是那么直接的,因为它的实现需要集中所有的信息要求解决分配问题。这可能不是很容易实现(在信息交流方面等)在网络环境。
在网络架构,我们可以区分两种情形。对于给定一个主/从体系结构,其中主节点负责带宽分配和协调所有节点的通信活动,最优政策的实际应用在这里是可行的。
例如,灵活时间触发式的方法应用于网络是现有的调度框架,它支持的应用最优政策在主/从体系结构。这种集中式的网络控制方法的主要的限制是它需要假设主节点的存在,知道当前状态的控制设备和所有控制回路的信息需求。当引入额外的延迟和中央故障点,并增加整个系统的信息流量，维护一个全局状态可能在实践中会有问题。基于协议的系统也会遭受同样的问题。
当没有假设所有所需的信息来解决分配问题让其都聚集在一个节点时,我们需要一个不同的解决方案。
CAN的选择
我们将视角放在网络体系结构上,其中所需的信息来决定哪些节点应该允许访问网络不是集中位置。尽管分布式决策的几种协议是可能的实现(例如基于符号的协议),我们仍关注CAN网络和位操作仲裁。CAN是基于广播的通信机制,每个消息都有一个标识符,它整个网络是十分独特的。CAN的标识符定义了内容和消息的优先级。二进制数最低的优先级最高。通过位操作来解决总线访问冲突仲裁所涉及的标识符。这种情况按照固有的连线机制,占主导地位的状态(0)覆盖隐性状态(1)。因此,传输请求的顺序处理系统作为一个整体的重要性。最优政策的实施,最高的节点误差应该允许总线访问。为此,错误将被编码到每个取样器节点消息标识符:错误越高,越低的标识符。取样器节点传输最大错误赢得权利。
然而,这种编码方式将所有可用的通信带宽分配给取样器节点的最大的错误。但作为强制要求的最优政策,一个最小带宽共享也给其他取样器节点。此外,控制器节点需要访问总线发送控制信号到执行器节点的消息。这必须尽快完成控制信号计算从传入消息示例。因此,更准确的信息编码和网络规划是必需的。
应用程序配置文件
为了轻松实现状态反馈资源分配策略，在基于网络嵌入式系统的基础上,我们定义一个应用程序配置文件。该文件应该被允许以下功能。首先,控制信号消息应该为了保证最高优先级,从而减少延迟在每个控制回路操作。同时,较低的采样器节点错误应该分配一个最小带宽共享。其次,非控制性的消息应该像预期的被授予总线访问一次控制消息和较低的采样器节点错误消息。最后,最高的取样器节点剩余误差应该分配带宽。这些功能的成就可以很容易地通过部署每个网络控制循环使用以下类型的节点和消息。
1.节点
定义了四种类型的节点。
取样器节点: 他们不断的发送设备信息，计算设备的错误,并尝试发送此信息(设备错误与设备状态)在通讯线路上。
控制器节点: 每个控制器节点收到一个取样器的信息,计算出控制信号(使用设备状态)并将其发送到相应的执行机构。
执行器节点: 他们将控制信号应用于设备中的同时在控制信号的接收消息。
其他节点: 他们执行其他非控制性活动
2.信息
我们定义四个消息类,如图1所示,可以区分前两位的消息标识符。
00: 这个类包含最高优先级的消息,总是授予赢得总线访问的权利。这些信息将被用于控制器节点发送控制信号消息执行器节点。前2位后,下面的16位将编码1的补的控制信号,和之后的8位编码取样器节点标识符的重要部分。通过这样做,我们缩短的长度信息(数据字段是空的),并允许消息控制信号赢得更高的访问在通讯线路上。后来有可能会造成控制信号消息之间的碰撞。尽管这种情况不应该发生,这个编码以一种可预见的方式解决问题。所需的取样器节点标识符是为了让每个控制器节点只过滤消息和接收这些消息被发送的取样器节点。需要注意的是,这些消息的带宽要求取决于取样器的频率信息。
01: 这类包含第二高优先级消息,也总是授予赢得总线访问。这些信息将被用于分配每个取样器节点的最小带宽共享。每个样本节点每hmax将发行这类的消息。除了前两位,在16位编码1S后补的设备错误,和之后的8位编码取样器节点标识符。8个字节的数据字段将包含设备状态,将使用相应的控制器节点计算控制信号。连接控制器节点计算控制信号。虽然消息01不大可能发生碰撞,但是因为设备的特性将允许解决它的节点最大的错误。和之前一样,所需的取样器节点标识符是过滤的目的。带宽要求这些信息是由每个hmax,每个控制回路的设计参数的网络化的架构。
10: 这个类包含所有非控制性的消息。因此,这些消息的标识符编码应该是思想最初,但10前两位。
11: 这个类包含最低优先级的消息,他们不保证能完全发送(最大程度的传递消息)。
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