Truetime网络仿真 (3)

柠檬脾气 分享 2020-06-22 下载文档

图16系统响应曲线

图18 网络资源调度

在令牌网下,传输速率为93.75Kbit/s,网络干扰节点占网络资源的20%、丢包率为10%情况下,系统的输出和网络资源调度情况,调度策略为PrioRM(单调速率):

图19系统响应曲线

图20 网络资源调度

在令牌网下,传输速率为93.75Kbit/s,网络干扰节点占网络资源的20%、丢包率为10%情况下,系统的输出和网络资源调度情况,调度策略为PrioEDF:

图20 系统响应曲线

图21 网络资源调度

在令牌网下,传输速率为93.75Kbit/s,网络干扰节点占网络资源的20%、丢包率为10%情况下,系统的输出和网络资源调度情况,调度策略为PrioDM:

图20 系统响应曲线

图21 网络资源调度

在网络控制系统中,不同的网络传输协议,传输速率、干扰率、数据包的丢失率以及数据包的大小都会影响到网络控制性能,对于多任务的控制系统调度策略对控制性能也有很大的影响。

调度策略对控制系统性能的影响。 网络的调度问题:

网络控制系统是基于网络的分布式控制系统。网络控制系统中的所有控制信息都要通过实时网络传输,由于网络带宽的限制,网络中传送的信息不可避免产生碰撞、丢失和重发等现象,因此必须对网络中传输信息进行合理调度,否则控制信息产生的较大时延,会降低控制系统的控制性能,严重时将导致系统破坏,因此在网络控制系统的设计与研究中必须考虑网络的调度问题。

从仿真结果可见,网络控制系统不仅依赖于传统控制算法的设计,而且依赖于网络资源的调度与优化,由于调度的影响,使得控制系统传感器的采样周期产生变化,不是一个定值,同时从传感器检测到执行器之间时间也产生了变化,从而使得系统产生波动,导致性能降低。

不同的调度策略将决定网络与计算机的不同执行与传输方式以及不同的控制性能。仿真表明,网络控制系统那个的性能不仅与常规的控制系统的控制方法有关,而且与网络的调度有关,所以必须对网络控制系统的控制方法与调度进行集成研究。

从图中可以看出,当无冲突任务、干扰节点和数据丢失时,信号的传输延时是常数,系统性能较好。当加入冲突任务、干扰节点时,引起了信息在控制节点内和网络中对资源的争夺,竞争使某些低优先级的任务处于等待状态或闲置状态,这些任务不能得到及时处理,导致系统延时变大,而且在多任务竞争这个不确定特性下,时延是时变的,从而使系统指标恶化。

图和图分别为控制器调度图和网络调度图,其中,信号高表示任务正在执行,中表示任务在等待,低表示任务闲置。从图可以看到各任务在控制器内的执行情况,从图中可以看到各个节点信息在网络中的传输情况。

从图中可以看到当未加冲突任务和干扰节点时,传感器周期性的采集信号,并通过网络把信号传给控制器,控制器接收传感信号,计算出控制信号并通过网络传给执行器,执行器接收控制信号并产生相应的动作。此时控制器中存在控制任务调度,网络中存在控制器节点和传感器节点调度。

当控制器节点内部存在冲突任务,而网络中存在干扰节点时,控制器内存在控制任务和冲突任务的调度,网络中存在控制器节点、传感器节点和干扰节点的调度。由于冲突任务和干扰节点的存在,使得信息在控制器节点内处理时以及在网络中传输时存在冲突和资源争夺。该例中规定干扰具有最高优先级,所以从图和图,可以看到控制器内部冲突任务的执行机率大,而网络中干扰信息的传输机率大,导致了传感器的采样周期发生变化,不是一个定值,同时从传感器检测到执行器之间时间也发生了变化,从而使得系统产生波动,性能降低,如图所示。

仿真系统可以通过Proprocessing delay(发送时延)与Postprocessing delay(接收时延)进行传输时延的设定。由于时延增加,系统的稳定性降低。图所示给出了网络传输时延为0.001的系统变化曲线,由于存在传输时延,系统振荡加强,性能降低,网络控制系统的处理时延会对系统性能产生很大的影响。,这里采用调整控制器参数方法进行补偿调节。

TrueTime模块配置与初始化

1. TrueTime Network模块的配置

TrueTime Network模块的配置需要通过块任务对话完成。包括:指定网络模式(Network type)、网络模块的访问地址(Network number)、连接到该模块的网络节点数(Number 偶发nodes)、通信速率(Data rate(bit/s)0、最小数据帧(Minimum frame size(bytes))、网络发送端时延(Pre-processing delay(s))、网络接收端时延(Post-processing delay(s))和信息传输丢失率(Loss probability(0-1))等。可供选择的网络模式有CSMA/CD(如Ethernet)、CSMA、AMP(如CAN)、Round Robin(如Token Bus)、FDMA(Frequency Division Multiple Access)、TDMA(Time Division Multiple Access,如TTP)和Switched Ethernet。

2. TrueTime Kernel模块的配置和初始化

TrueTime Kernel模块的配置可以通过快任务对话完成。可以通过任务对话配置的参数

有:指定初始化脚本函数名称(Name of init function(MEX of MATLAB))、选择初始化脚本变量(Init function argument)、内核模块是否依赖电池(Battery)、时间漂移(Clock drift)和时间偏移量(Clock offset)等。某些其它的参数也可以通过命令ttSetKernelParameter进行设置。

TrueTime Kernel模块的初始化(Initialization)涉及:指定仿真中模块的输入输出通道地址(number of Inputs and outputs),定义调度策略(scheduling policy),创建任务(tasks)、中断柄(interrupt handlers)、事件(events)和监视器(monitors)等。TrueTime Kernel模块的初始化通过编写初始化脚本代码来实现。每个TrueTime Kernel模块必须进行初始化。(在Matlab中,某些初始化参数也可以在图形界面窗口中通过选择参数实现)。

从网络调度图中可以看到,事件驱动型的控制器,在传感器数据到达时立即计算出控制信号;事件驱动型的控制器,从采样时刻运作。从Ethernet网络控制系统的仿真结果来分析,事件驱动型的网络控制系统比时间驱动型的网络控制系统,在阶跃响应下,超调量小,回复时间短,系统性能明显优越。 TrueTime初始化问题:

初始化中计算机内核与网络是两个基本的初始化内容,分别采用了ttInitKernel(nbrInp,nbrOutp,prioFcn)与ttInitNetwork(nodenumber,handlename)形式表示。ttInitKernel中nbrlnp为输入通道的数目,nbrOutp为输出通道的数目,prioFcn为采用的调度策略,而ttInitNetwork中nodenumber为网络中节点的地址,handlername为被调用的中断句柄名,如ttInitKernel(1,0,‘RM’)表示采用了RM(单调速率)调度策略。如网络中节点4控制器初始化为ttInitNetwork(4,‘msgRcv’)。

TrueTime工具箱实例代码(distributed): 1. function actuator_init

%执行器初始化

% Distributed control system: actuator node % Receives messages from the controller and actuates % the plant.

% Initialize TrueTime kernel

ttInitKernel(0, 1, 'prioFP'); % nbr Of Inputs, nbr Of Outputs, fixed priority,初始化内核,设置功能块输入、输出端口的数目和调度策略 % Create actuator task 创建任务 deadline = 100; prio = 1;

ttCreateTask('act_task', deadline, prio, 'actcode');任务名称,最终期限(截止期),代码名称 % Initialize network

ttCreateInterruptHandler('nw_handler', prio, 'msgRcvActuator'); 对于事件驱动的节点,调用ttCreateInterruptHandler函数,设置中断式消息调度策略,使节点在接受到网络数据后触发相应的


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