CN111614481A - 一种最大紧急优先调度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种最大紧急优先调度的方法，包括以下步骤：步骤1)对各运动控制平台进行网络通信配置；步骤2)对各运动控制平台观测的误差及误差变化率进行归一化处理；步骤3)利用误差及误差变化率作为模糊规则的输出，确定各运动控制平台的网络需求度；步骤4)确定网络的紧急程度；步骤5)为各运动控制平台设计动态权重；步骤6)确定各运动控制系统的优先级。本发明提供一种降低网络延迟、不易丢包的最大紧急优先的调度的方法，对各个运动控制系统的网络通信协议进行配置，降低数据包的大小，使各节点的数据归一化，在利用模糊规则确定各运动控制系统的网络需求度，最后对各运动控制平台的网络需求度进行加权，确定优先级。

Description

一种最大紧急优先调度的方法
技术领域
本发明是针对网络化运动控制平台，特别是对网络运动控制系统中通信资源受限提出的改进方法。
背景技术
网络化运动控制控制系统(Networked Motion Control Systems，NMCSs) 是一种基于网络的实时反馈控制系统，网络作为物理传输介质被所有设备共享，控制器不能在任意时刻发送与接收数据，必须竞争得到网络的访问权才能发送数据，所以有必要对网络中运动控制系统的数据传输进行调度管理，合理分配网络资源，使网络中的数据传输具有可管理性和可预测性，尽量降低网络诱导时延对控制系统造成的影响，保证运动控制性能和系统稳定性。在网络资源受限的情况下，研究网络化运动控制平台的调度问题是极其有必要性的。
网络化运动控制系统是将多个运动控制平台都挂载在网络中，将观测的被控制量通过网络传输到服务器中，在服务器中得到运算，再经过网络将控制量发送到各运动控制平台中进行控制。当多个运动控制平台同时发送数据时，会出现通信拥塞、迟滞等问题，通过调度器将资源进行合理的分配还是很有必要的。
基于优先级的经典调度方法通常采用一特征参数来确定优先级。Luo提出最早截止时间优先(Earliest deadline first，EDF)算法应用在多个控制回路的网络控制系统中，按照任务截止时限较小任务优先级就较大的原则确定优先权；Walsh 提出了误差最大优先—尝试一次丢弃(Maximum error first-try once discard， MEF-TOD)调度策略，基于在线获取的诱导误差动态设置节点报文数据包的优先级；Yepez等人提出最大误差优先(Large error first，LEF)动态调度策略，根据控制系统各回路误差大小重新设置优先级，误差越大的回路其优先级越大原则确定优先级；Xia等人受LEF调度策略和MEF-TOD影响，对不同控制回路赋予同的权重，提出基于反馈最大紧急度优先的网络调度算法。近几年的研究中，网络控制系统的调度和模糊控制相结合的研究取得了相当大的进展。李祖新提出了将回路控制误差与回路的误差变化率作为输入，采用模糊推理动态改变通信节点的优先级；尹逊和根据回路误差与回路误差变化率，采用模糊神经网络控制策略确定通信节点的优先级；张明华等提出一种模糊神经网络调度算法，利用误差、误差变化率作为模糊算法的输入，再对神经网路进行训练，从而使紧急任务得到比较有效的调度。
发明内容
为了克服现有网络化运动控制系统中网络高延时以及易丢包的不足，本发明提供一种降低网络延迟、不易丢包的最大紧急优先的调度的方法，对各个运动控制系统的网络通信协议进行配置，降低数据包的大小，使各节点的数据归一化，在利用模糊规则确定各运动控制系统的网络需求度，最后对各运动控制平台的网络需求度进行加权，确定优先级。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案：
一种最大紧急优先调度的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)建立网络通信机制，需配置个运动控制平台网络通信模式：
考虑本系统在局域网中实现，服务器采用本地PC开发的控制软件，各节点采用stm32作为控制器，节点的数据通过网络传输到本地PC机，在PC机开发的控制软件进行计算控制量再传回STM32进行运动系统的控制，网络化运动控制系统选用Ethernet/IP的网络结构的UDP通信协议。各个节点的网络通信配置如下：
1.1).在QT中开发控制软件，用SOCKET接口进行数据交互，a.创建socket 对象，b.bind()为socket对象绑定协议，赋予名字，c.join()将各节点加入主播地址，d.connet()连接服务器的socket对象；
1.2).在STM32中，搭载ucos系统通过LWIP轻量级的TCP/ip协议栈实现， a.配置LWIP/DHCP动态ip可自动获取本地ip，b.创建网络套接字对象，c.绑定网络套接字协议对象，d.加入主播地址
1.3).网络化运动控制中，要求网络时延越低越有利于系统的稳定控制，在数据发送的过程，将采集数据转换成二进制数据发送，一帧数据定义为16位，将各网络节点的地址编号转化为二进制封装在数据帧的前4位中，网络节点观测的数据封装在后12位当中；
步骤2)将误差及误差变化率进行归一化处理：
Figure RE-GDA0002562087570000021
其中，serr(k)i为误差标准值，sderi(k)为误差变化率的标准值，erri(k)为i节点的误差值，errimin为i节点误差的最小值，errimax为i节点误差的最大值，同样的，derri为i节点误差变化率，derrimax表示i节点误差变化率的最大值， derrimin表示i节点误差变化率的最小值；
步骤3)将各节点归一化误差及误差变化率作为模糊规则的输入，并依据专家经验，确定网络需求度：
依据serri和sderi的变化值为[-1.0,0,1.0]，Ei和Dei分别为serri和 sderi的模糊集，Ei的量化等级分为11级[0，1，2,3,4,5,6,7，8,9，10]，Dei的量化等级分为9级[0，1,2,3，4，5，6,7，8]；输出Ti等级分为5级[1,2,3,4,5]。Ei的模糊子集为[NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB]，Dei的模糊子集为[NB、NS、ZE、PS、PB]，Ti的模糊子集为[PS、S、M、B、PB]。取量化因子Ke＝10，Kd＝10，Kt＝1；
选取三角形隶属度函数作为输入变量Ei的隶属度函数，梯形隶属度函数作为输入变量Dei的隶属度函数，高斯隶属度函数作为输出变量Ti的隶属度函数，控制回路误差和误差变化率作为模糊算法的输入，网络需求度作为模糊算法的输出。当误差和误差变化率较大时，需要分配较多的网络资源，当误差和误差辩护率较小时，分配较低的网络资源，优先级越大，网络需求度越高。
步骤4)确定各回路的紧急程度
Figure RE-GDA0002562087570000031
其中，|serri(k)|为误差的绝对值，|serr|z为饱和时的误差，Vi为网络需求紧急度；
步骤5)为各运动控制平台设计动态权重如下
wi(k)＝w0i(k)+Δwi(k) (3)
Figure RE-GDA0002562087570000032
Figure RE-GDA0002562087570000033
其中，wi为i节点在k时刻的权值，w0i(k)为i节点的固定权重，Δwi(k)为i 节点补偿权重；
步骤6)确定网络化运动控制平台的优先级
Figure RE-GDA0002562087570000034
Figure RE-GDA0002562087570000035
Figure RE-GDA0002562087570000036
其中，|erri(k)|为误差的绝对值，|erri(k)|z为饱和时的误差，Pi(k)为i节点的优先级，Ri(k)为i节点的网络需求度，α为动态权重修正系数，Δwmin为最小补偿权值，不同时刻下，Pi(k)值越大，i节点所对应的优先级越高，i节点应优先得到本地PC机的数据接收权。
本发明的有益效果为：对各个运动控制系统的网络通信协议进行配置，降低数据包的大小，使各节点的数据归一化，在利用模糊规则确定各运动控制系统的网络需求度，最后对各运动控制平台的网络需求度进行加权，确定优先级；
附图说明
图1是数据帧的示意图。
图2是输入变量Ei隶属度函数。
图3是输入变量Dei隶属度函数。
图4是输入变量Ti隶属度函数。
图5是本发明的方法流程图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参照图1～图5，一种最大紧急优先调度的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1)对各运动控制平台进行网络通信配置；
步骤2)对各运动控制平台观测的误差及误差变化率进行归一化处理；
步骤3)利用误差及误差变化率作为模糊规则的输出，确定各运动控制平台的网络需求度；
步骤4)确定网络的紧急程度；
步骤5)为各运动控制平台设计动态权重；
步骤6)确定各运动控制系统的优先级。
进一步，所述步骤1)中，对各个运动控制平台的网络通信配置，可描述如下：
考虑本系统在局域网中实现，服务器采用本地PC开发的控制软件，各节点采用STM32作为控制器。节点的数据通过网络传输到本地PC机，在PC机开发的控制软件进行计算控制量再传回STM32进行运动系统的控制。网络化运动控制系统，在高速的运动过程中需要更低的网络延时，高性能的控制效果，需选用具有低时延的网络通信协议。本系统的开发当中，选用Ethernet/IP的网络结构的 UDP通信协议。各个节点的网络通信配置如下：
1.1).在QT中开发控制软件，用SOCKET接口进行数据交互。a.创建socket 对象，b.bind()为socket对象绑定协议，赋予名字，c.join()将各节点加入主播地址，d.connet()连接服务器的socket对象。
1.2).在STM32中，搭载ucos系统通过LWIP轻量级的TCP/ip协议栈实现。 a.配置LWIP/DHCP动态ip可自动获取本地ip，b.创建网络套接字对象，c.绑定网络套接字协议对象，d.加入主播地址
1.3).网络化运动控制中，要求网络时延越低越有利于系统的稳定控制。在数据发送的过程，将采集数据转换成二进制数据发送，这样极大的降低发送数据的时延。数据帧如图1所示。如图1所示，一帧数据定义为16位，在数据帧的开头加上1位校验位，将各网络节点的地址编号转化为二进制封装在数据帧的前3 位中，网络节点观测的数据封装在后12位当中。网络中存在更多的运动控制平台，需增加数据帧位数的大小。此方法提高各网络节点数据发送效率，有效的降低网络时延。
再进一步，对所述步骤2)中，各运动控制平台观测的数据归一处理如下：
Figure RE-GDA0002562087570000041
其中，serri(k)为误差标准值，sderi(k)为误差变化率的标准值，erri(k)为i节点的误差值，errimin为i节点误差的最小值，errimax为i节点误差的最大值，同样的，derri为i节点误差变化率，derrimax表示i节点误差变化率的最大值，derrimin表示i节点误差变化率的最小值。
对所述步骤3)中，将归一化后的误差及误差变化率作为模糊规则输入，依据专家经验，确定各个运动控制平台的网络需求度：
依据serri和sderi的变化值为[-1.0,0,1.0]，Ei和Dei分别为serri和 sderi的模糊集，Ei的量化等级分为11级[0，1，2,3,4,5,6,7，8,9，10]，Dei的量化等级分为9级[0，1,2,3，4，5，6,7，8]；输出Ti等级分为5级[1,2,3,4,5]。Ei的模糊子集为[NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB]，Dei的模糊子集为[NB、NS、ZE、PS、PB]，Ti的模糊子集为[PS、S、M、B、PB]。取量化因子Ke＝10，Kd＝10，Kt＝1。
选取三角形隶属度函数作为输入变量Ei的隶属度函数，梯形隶属度函数作为输入变量Dei的隶属度函数，高斯隶属度函数作为输出变量Ti的隶属度函数，其函数曲线分别如图2～4所示。控制回路误差和误差变化率作为模糊算法的输入，网络需求度作为模糊算法的输出。当误差和误差变化率较大时，需要分配较多的网络资源，当误差和误差辩护率较小时，分配较低的网络资源。优先级越大，网络需求度越高。
对所述步骤4)，确定各回路的紧急程度
Figure RE-GDA0002562087570000051
其中，|serri(k)|为误差的绝对值，|serr|z为饱和时的误差，Vi为网络需求紧急度。
对所述步骤5)，为各运动控制平台设计动态权重如下：
wi(k)＝w0i(k)+Δwi(k) (3)
Figure RE-GDA0002562087570000052
Figure RE-GDA0002562087570000053
其中，wi为i节点在k时刻的权值，w0i(k)为i节点的固定权重，Δwi(k)为i节点补偿权重。
对所述步骤6)，确定网络化运动控制平台的优先级：
Figure RE-GDA0002562087570000061
Figure RE-GDA0002562087570000062
Figure RE-GDA0002562087570000063
其中，|erri(k)|为误差的绝对值，|erri(k)|z为饱和时的误差，Pi(k)为i节点的优先级，Ri(k)为i节点的网络需求度，α为动态权重修正系数，Δwmin为最小补偿权值。不同时刻下，Pi(k)值越大，i节点所对应的优先级越高，i节点应优先得到本地PC机的数据接收权。

Claims (1)

1.一种最大紧急优先调度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1)建立网络通信机制，需配置个运动控制平台网络通信模式：
考虑本系统在局域网中实现，服务器采用本地PC开发的控制软件，各节点采用stm32作为控制器，节点的数据通过网络传输到本地PC机，在PC机开发的控制软件进行计算控制量再传回STM32进行运动系统的控制，网络化运动控制系统选用Ethernet/IP的网络结构的UDP通信协议，各个节点的网络通信配置如下：
1.1).在QT中开发控制软件，用SOCKET接口进行数据交互，a.创建socket对象，b.bind()为socket对象绑定协议，赋予名字，c.join()将各节点加入主播地址，d.connet()连接服务器的socket对象；
1.2).在STM32中，搭载ucos系统通过LWIP轻量级的TCP/ip协议栈实现，a.配置LWIP/DHCP动态ip可自动获取本地ip，b.创建网络套接字对象，c.绑定网络套接字协议对象，d.加入主播地址
1.3).网络化运动控制中，要求网络时延越低越有利于系统的稳定控制，在数据发送的过程，将采集数据转换成二进制数据发送，一帧数据定义为16位，将各网络节点的地址编号转化为二进制封装在数据帧的前4位中，网络节点观测的数据封装在后12位当中；
步骤2)将误差及误差变化率进行归一化处理：
Figure RE-FDA0002562087560000011
其中，serr(k)i为误差标准值，sderi(k)为误差变化率的标准值，erri(k)为i节点的误差值，errimin为i节点误差的最小值，errimax为i节点误差的最大值，同样的，derri为i节点误差变化率，derrimax表示i节点误差变化率的最大值，derrimin表示i节点误差变化率的最小值；
步骤3)将各节点归一化误差及误差变化率作为模糊规则的输入，并依据专家经验，确定网络需求度：
依据serri和sderi的变化值为[-1.0,0,1.0]，Ei和Dei分别为serri和sderi的模糊集，Ei的量化等级分为11级[0，1，2,3,4,5,6,7，8,9，10]，Dei的量化等级分为9级[0，1,2,3，4，5，6,7，8]；输出Ti等级分为5级[1,2,3,4,5]。Ei的模糊子集为[NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB]，Dei的模糊子集为[NB、NS、ZE、PS、PB]，Ti的模糊子集为[PS、S、M、B、PB]。取量化因子Ke＝10，Kd＝10，Kt＝1；
选取三角形隶属度函数作为输入变量Ei的隶属度函数，梯形隶属度函数作为输入变量Dei的隶属度函数，高斯隶属度函数作为输出变量Ti的隶属度函数，控制回路误差和误差变化率作为模糊算法的输入，网络需求度作为模糊算法的输出。当误差和误差变化率较大时，需要分配较多的网络资源，当误差和误差辩护率较小时，分配较低的网络资源，优先级越大，网络需求度越高。
步骤4)确定各回路的紧急程度
Figure RE-FDA0002562087560000021
其中，|serri(k)|为误差的绝对值，|serr|z为饱和时的误差，Vi为网络需求紧急度；
步骤5)为各运动控制平台设计动态权重如下
wi(k)＝w0i(k)+Δwi(k) (3)
Figure RE-FDA0002562087560000022
Figure RE-FDA0002562087560000023
其中，wi为i节点在k时刻的权值，w0i(k)为i节点的固定权重，Δwi(k)为i节点补偿权重；
步骤6)确定网络化运动控制平台的优先级
Figure RE-FDA0002562087560000024
Figure RE-FDA0002562087560000025
Figure RE-FDA0002562087560000026
其中，|erri(k)|为误差的绝对值，|erri(k)|z为饱和时的误差，Pi(k)为i节点的优先级，Ri(k)为i节点的网络需求度，α为动态权重修正系数，Δwmin为最小补偿权值，不同时刻下，Pi(k)值越大，i节点所对应的优先级越高，i节点应优先得到本地PC机的数据接收权。
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