實(shí)時(shí)反饋控制實(shí)時(shí)控制

時(shí)間：2023-02-20 13:42:01 | 來源：營銷百科

時(shí)間：2023-02-20 13:42:01 來源：營銷百科

實(shí)時(shí)反饋控制實(shí)時(shí)控制：近年來，隨著計(jì)算機(jī)、通信等科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化、嵌入式計(jì)算在控制系統(tǒng)工程中的重要性日益顯著。迄今為止，網(wǎng)絡(luò)化嵌入式設(shè)備在應(yīng)用數(shù)量上己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用計(jì)算機(jī)，其應(yīng)用領(lǐng)域遍及航空航天、儀器儀表、過程控制、通訊、軍事裝備以及消費(fèi)電子等。在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，任務(wù)的正確性不僅依賴于結(jié)果在邏輯與數(shù)值上的正確性，而且還與結(jié)果的產(chǎn)生時(shí)間緊密相關(guān)。顯然，控制系統(tǒng)組成了一類極為重要的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。由于實(shí)際應(yīng)用中幾乎所有的控制系統(tǒng)都是采用數(shù)字技術(shù)并基于一定的計(jì)算、通信平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)的，因此實(shí)時(shí)性對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。

以實(shí)時(shí)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性在很大程度上取決于資源的可獲取性，即系統(tǒng)能否在特定的時(shí)間內(nèi)成功獲得足夠的資源來完成任務(wù)的執(zhí)行。在現(xiàn)代實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)(Real-Time Control Systems, RTCS)中，典型的資源包括控制器處理能力 (CPU速率)、能量和通信網(wǎng)絡(luò)帶寬等。與通用系統(tǒng)如桌面計(jì)算機(jī)不同的是，RTCS中絕大部分的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式平臺(tái)都是資源受限的。其原因往往是多方面的。從技術(shù)角度看，由于實(shí)際應(yīng)用需求等原因，嵌入式設(shè)備往往受到體積、重量等物理因素的限制，因而不可避免地導(dǎo)致了系統(tǒng)在CPU速率方面的局限性。為了提供確定性的實(shí)時(shí)通信，控制網(wǎng)絡(luò)通常只能提供遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)( Ethernet)等非實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率。而對(duì)于越來越多的采用電池供電的嵌入式設(shè)備來說，能量則成了一個(gè)自然的約束，特別是在電池技術(shù)的發(fā)展還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有跟上能耗增長腳步的今天。從經(jīng)濟(jì)方面考慮，為了盡可能降低開發(fā)成本，在大多數(shù)情況下實(shí)際系統(tǒng)并不會(huì)選用速率最高的CPU或帶寬最大的通信網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)檫@些往往意味著過高的經(jīng)濟(jì)代價(jià)?；谶@個(gè)原因，盡管計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)發(fā)展迅速，也提供了一些能力更強(qiáng)的硬件設(shè)備，但實(shí)際系統(tǒng)中大量應(yīng)用的計(jì)算、通信平臺(tái)往往只為滿足具體應(yīng)用需求而配置，因而CPU處理能力、網(wǎng)絡(luò)帶寬以及能量等都是有限的。

盡管存在資源約束，但實(shí)際RTCS應(yīng)用的復(fù)雜度卻是越來越高。在許多場(chǎng)合，用戶功能需求的不斷增多、市場(chǎng)競爭的日益激烈等均是造成系統(tǒng)日益復(fù)雜化的驅(qū)動(dòng)因素。于是，對(duì)于嵌入式環(huán)境下的大部分控制任務(wù)來說，以往專用的處理器將不復(fù)存在，不同任務(wù)不得不競爭同一處理器的使用。從某種意義上講，多個(gè)任務(wù)對(duì)處理器的共享加劇了對(duì)電池能量的消耗，使得對(duì)系統(tǒng)能耗的管理變得更加重要。同樣，隨著系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式也被網(wǎng)絡(luò)化的通信體系所替代，多個(gè)節(jié)點(diǎn)必須在同一網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)。顯然，多個(gè)應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)資源的共享使得這些原本就相對(duì)有限的資源變得更加緊缺，從而可能影響到控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。不幸的是，這個(gè)問題隨著一些COTS (Commercial Off The-Shelf)組件在RTCS中的不斷應(yīng)用而變得更加嚴(yán)峻。出于成本、平均性能等方面的考慮，一些非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)如Linux, Windows CE, TinyOS等和非實(shí)時(shí)的通信網(wǎng)絡(luò)如Ethernet, WLAN ( Wireless Local Area Network)等被不斷地引入現(xiàn)代的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用中。由于這些組件不提供確定性的實(shí)時(shí)性服務(wù)，因此可能危害RTCS最終的控制性能。

與以往不同，如今的RTCS往往工作于以負(fù)載可變?yōu)樾绿卣鞯膭?dòng)態(tài)環(huán)境中。為了應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的敏捷度、可重構(gòu)性、可擴(kuò)展性等不斷提高。這些特性使得在運(yùn)行過程中對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)重組成為可能，從而方便了系統(tǒng)升級(jí)與維護(hù)，滿足了系統(tǒng)柔性化的需求。然而，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線重組的一個(gè)直接結(jié)果就是系統(tǒng)負(fù)載也會(huì)隨之發(fā)生改變。比如，系統(tǒng)中原有的某些應(yīng)用模塊可能會(huì)被移除，而新的應(yīng)用模塊則可能被加入，或者僅僅由于對(duì)原有系統(tǒng)功能模塊的升級(jí)而改變了某些應(yīng)用對(duì)共享資源的需求量。此時(shí)，無論系統(tǒng)更新是否涉及控制應(yīng)用模塊，系統(tǒng)負(fù)載均會(huì)發(fā)生變化，從而影響到控制任務(wù)對(duì)共享資源的可獲取性。在資源受限的背景下，這種負(fù)載可變的動(dòng)態(tài)環(huán)境無疑使得資源獲取的不確定性成為了制約實(shí)時(shí)控制性能的瓶頸所在，為RTCS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提出了巨大的挑戰(zhàn)。

以控制的觀點(diǎn)，可用資源的不確定性將不可避免地導(dǎo)致控制回路的時(shí)態(tài)不確定性，具體表現(xiàn)為時(shí)變延遲和丟包(數(shù)據(jù)丟失)等，從而降低系統(tǒng)控制質(zhì)量( Quality of Control, QoC ) ，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。