KR101272610B1 - 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치 및 방법에 관한 것으로, 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서 센서와 제어기 사이에 발생하는 네트워크 전송 지연을 샘플링 시프팅(sampling shifting) 방법으로 줄이고, 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 전송 지연을 태스크 스케줄링(task scheduling) 방법으로 줄임으로써, 네트워크에 의해 발생하는 네트워크 전송 지연을 줄여, 제어 시스템의 시간 응답 특성을 개선하고, 제어 시스템을 안정하게 만들어 제어 시스템의 성능을 보장할 수 있는 효과를 발휘한다.

Description

타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치 및 방법{Apparatus and Method for Optimization of Network Induced delay in Networked Control Systems with Time-triggered Communication network}
본 발명은 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에 발생하는 네트워크 전송 지연을 보정하여 제어시스템의 시간응답특성을 개선하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치 및 방법에 관한 것이다.
통신 선로에서 발생하는 네트워크 전송 지연(network induced delay)은 네트워크 기반 제어 시스템을 설계하는 경우에 발생할 수 있는 가장 큰 문제점 중 하나이다. 이러한 네트워크 전송 지연은 네트워크의 구성 방법이나 성능 또는 여러 장치들 간의 거리 등에 따라서 서로 다른 특성을 갖는다. 그리고 네트워크 전송 지연은 시간 응답의 과도 상태에서 최대 오브슈트를 증가시키거나, 2개 이상의 SISO(single input single output) 제어 루프가 조합된 MIMO(multiple input multiple output) 제어 시스템의 성능을 악화시키고 불안정하게 만들 수 있다.
일반적으로 네트워크 전송 지연은 시변(time-varying) 특성을 가지며, 통신 매체의 종류에 따라 다른 형태로 모델링될 수 있다. 상기와 같은 네트워크 전송 지연 문제를 해결하기 위해서는 네트워크 전송 지연에 대한 모델링이 필요한 상황이다. 이러한 네트워크 전송 지연의 모델링 방법으로는 크게 세 가지 방법이 제안되고 있다.
네트워크 전송 지연의 첫 번째 모델링 방법은 통신 시스템에서 발생하는 네트워크 전송 지연이 일정하다고 가정하고 네트워크 전송 지연을 상수로 모델링하는 방법이다. 이 방법은 네트워크 전송 지연 모델이 실제의 네트워크 시스템이 가지는 네트워크 전송 지연보다 큰 값으로 모델링된다는 점에서 제어 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다는 문제가 있다.
네트워크 전송 지연의 두 번째 모델링 방법은 네트워크 전송 지연의 시변 특성을 확률 변수로 사용하여 모델링하는 방법이다. 이 방법은 네트워크 전송 지연을 간단하게 나타낼 수 있으나, 실제적인 네트워크 전송 지연을 정확하게 모델링하기가 곤란하다는 문제가 있다.
네트워크 전송 지연의 세 번째 모델링 방법은 마코프 체인(Markov chain)을 이용하여 네트워크 전송 지연을 모델링하는 방법이다. 마코프 체인의 상태는 하부 시스템 사이의 거리나 특성에 따라 다르게 표현되는 네트워크 전송 지연을 모델링할 수 있다. 그리고 마코프 체인의 상태 전이에 관한 규칙을 확률 분포 함수로 정의한다. 이 방법은 사전 실험을 통해 모델링하고자 하는 네트워크의 정보들을 확보해야 하는 어려움이 있다.
따라서 이와 같은 종래의 네트워크 전송 지연에 대한 모델링 방법은, 네트워크 전송 지연 모델을 이용하여 제어 시스템의 성능을 개선하려고 하지만, 네트워크 전송 지연의 가변적인 시변 특성을 충분히 반영하지 못하기 때문에 신뢰할 수 있는 모델링의 정확성을 보장하기 힘들다는 문제점을 가지고 있었다.
미국 공개특허공보 제2005-0226156호(2005.10.13) 대한민국 등록특허공보 제10-0747760호(2007.08.02) 대한민국 등록특허공보 제10-0850803호(2008.07.31)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서 센서와 제어기 사이에 발생하는 네트워크 전송 지연을 샘플링 시프팅(sampling shifting) 방법을 통해 최소화할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 네트워크 전송 지연을 태스크 스케줄링(task scheduling) 방법을 통해 최소화할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 센서와 제어기 사이에서 발생하는 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 샘플링 시프팅부; 및 상기 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 태스크 스케줄링부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치를 제공한다.
상기 샘플링 시프팅부는 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 상기 센서에서 제어기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거한다.
이때, 상기 샘플링 시프팅부는 이전 샘플링 단계인 (k-1)번째 샘플링에서 발생하는 대시 시간을 측정하고, 현재 단계인 (k)번째 샘플링에서 상기 측정한 대기 시간 만큼 시점을 조정하여 샘플링을 수행할 수 있다.
또한, 상기 태스크 스케줄링부는 태스크 스케줄링 방법을 이용하여 제어기에서 구동기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거한다.
이때, 상기 태스크 스케줄링부는 네트워크 설계 단계에서 제어 명령의 전송 시점을 제어기에서 발생하는 계산 지연이 끝나는 시점과 일치시킴으로써 상기 제어기에서 구동기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 특징은, 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법에 있어서, 센서와 제어기 사이에서 발생하는 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 단계; 및 상기 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법을 제공한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치 및 방법에 의하면, 네트워크에 의해 발생하는 네트워크 전송 지연을 줄임으로써, 제어 시스템의 시간 응답 특성을 개선하고, 제어 시스템을 안정하게 만들어 제어 시스템의 성능을 보장할 수 있는 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명에 따른 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치의 일실시예를 나타낸 블록 구성도이고,
도 2는 본 발명에 따른 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법의 일실시예를 나타낸 순서도이고,
도 3은 센서와 제어기 사이에서 발생하는 전송 지연을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이고,
도 4는 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 전송 지연을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치의 일실시예를 나타낸 블록 구성도이다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명은, 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치에 있어서, 센서(10)와 제어기(20) 사이에서 발생하는 전송 지연(TA)을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 샘플링 시프팅부(40) 및 상기 제어기(20)와 구동기(30) 사이에서 발생하는 전송 지연(TB)을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 태스크 스케줄링부(50)를 포함한다.
상기 샘플링 시프팅부(40)는 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 상기 센서(10)에서 제어기(20)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TA2)을 제거한다.
상기 샘플링 시프팅부(40)는 이전 샘플링 단계인 (k-1)번째 샘플링에서 발생하는 대시 시간(TA2 (K-1))을 측정하고, 현재 단계인 (k)번째 샘플링에서 상기 측정한 대기 시간(TA2 (K))만큼 시점을 조정하여 샘플링을 수행하는 것이 바람직하다.
상기 태스크 스케줄링부(50)는 태스크 스케줄링 방법을 이용하여 제어기(20)에서 구동기(30)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TB1)을 제거한다.
상기 태스크 스케줄링부(50)는 네트워크 설계 단계에서 제어 명령의 전송 시점을 제어기(20)에서 발생하는 계산 지연(TB4)이 끝나는 시점과 일치시킴으로써 상기 제어기(20)에서 구동기(30)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TB1)을 제거하는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법의 일실시예를 나타낸 순서도이다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은, 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법에 있어서, 센서(10)와 제어기(20) 사이에서 발생하는 전송 지연(TA)을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 단계(S100) 및 상기 제어기(20)와 구동기(30) 사이에서 발생하는 전송 지연(TB)을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 단계(S200)를 포함한다.
상기 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 단계(S100)는 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 상기 센서(10)에서 제어기(20)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TA2)을 제거한다.
상기 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 단계(S100)는 이전 샘플링 단계인 (k-1)번째 샘플링에서 발생하는 대시 시간(TA2 (K-1))을 측정하고, 현재 단계인 (k)번째 샘플링에서 상기 측정한 대기 시간(TA2 (K))만큼 시점을 조정하여 샘플링을 수행하는 것이 바람직하다(S110).
상기 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 단계(S200)는 태스크 스케줄링 방법을 이용하여 제어기(20)에서 구동기(30)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TB1)을 제거한다.
상기 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 단계(S200)는 네트워크 설계 단계에서 제어 명령의 전송 시점을 제어기(20)에서 발생하는 계산 지연(TB4)이 끝나는 시점과 일치시킴으로써 상기 제어기(20)에서 구동기(30)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TB1)을 제거하는 것이 바람직하다(S210).
도 3은 센서와 제어기 사이에서 발생하는 전송 지연을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 센서(10)와 제어기(20) 사이에서 발생하는 전송 지연(TA)은 샘플링된 데이터를 생성하는 데 걸리는 시간(TA1), 센서에서 제어기로 전송하기 위해 대기하는 시간(TA2), 통신 매체를 통해 센서에서 제어기로 전달하는 시간(TA3)으로 구성된다.
일반적으로 샘플링된 데이터를 생성하는 데 걸리는 시간(TA1)과 통신 매체를 통해 센서(10)에서 제어기(20)로 전달하는 시간(TA3)은 사전에 예측이 가능하며 보통 일정한 크기를 가진다.
그러나 센서(10)에서 제어기(20)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TA2)은 시변 특성을 가지며 더구나 네트워크의 동작 초기 조건에 따라 변하기도 한다.
따라서 본 발명에서는 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 센서(10)에서 제어기(20)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TA2)을 제거한다.
타임 트리거 통신 네트워크에서 센서(10)에서 제어기(20)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TA2)은 네트워크가 동작한 후에 알려진다. 그리고 그 크기는 사전에 알 수 없다. 그리하여 이전 샘플링 단계인 (k-1)번째 샘플링에서 발생하는 대기 시간(TA2 (K-1))을 측정한다. 그리고 현재 단계인 (k)번째 샘플링에서 상기 측정한 대기 시간(TA2 (K))만큼 시점을 조정하여 샘플링을 수행하면 현재 단계에서(TA2)를 제거할 수 있다.
도 4는 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 전송 지연을 설명하기 위한 타이밍 다이어그램이다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 제어기(20)와 구동기(30) 사이에서 발생하는 전송 지연(TB)은 제어기(20)에서 구동기(30)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TB1), 통신 매체를 통해 제어기(20)에서 구동기(30)로 전달하는 시간(TB2), 제어기(20)로부터 받은 제어 명령을 이용하여 구동기(30)를 동작시키는 데 걸리는 시간(TB3)으로 구성된다.
일반적으로 통신 매체를 통해 제어기(20)에서 구동기(30)로 전달하는 시간(TB2)과 제어기(20)로부터 받은 제어 명령을 이용하여 구동기(30)를 동작시키는 데 걸리는 시간(TB3)은 사전에 예측이 가능하며 보통 일정한 크기를 가진다.
그러나 제어기(20)에서 구동기(30)로 제어 명령을 전송하는 시점은 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 경우에 네트워크 설계자에 의해 네트워크 설계 단계에서 결정될 수 있다. 제어 명령의 전송 시점에 따라 제어기(20)에서 구동기(30)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TB1)이 결정된다. 따라서 제어기(20)와 구동기(30) 사이에서 발생하는 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거한다.
즉, 네트워크 설계 단계에서 제어 명령의 전송 시점을 제어기에서 발생하는 계산 지연(TB4)이 끝나는 시점과 일치시킴으로써 제어기(20)에서 구동기(30)로 전송하기 위해 대기하는 시간(TB1)을 제거할 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.
10 : 센서
20 : 제어기
30 : 구동기
40 : 샘플링 시프팅부
50 : 태스크 스케줄링부

Claims (10)

  1. 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치에 있어서,
    센서와 제어기 사이에서 발생하는 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 샘플링 시프팅부; 및
    상기 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 태스크 스케줄링부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 샘플링 시프팅부는;
    샘플링 시프팅 방법을 이용하여 상기 센서에서 제어기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 샘플링 시프팅부는;
    이전 샘플링 단계인 (k-1)번째 샘플링에서 발생하는 대기 시간을 측정하고, 현재 단계인 (k)번째 샘플링에서 상기 측정한 대기 시간만큼 시점을 조정하여 샘플링을 수행하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 태스크 스케줄링부는;
    태스크 스케줄링 방법을 이용하여 제어기에서 구동기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 태스크 스케줄링부는;
    네트워크 설계 단계에서 제어 명령의 전송 시점을 제어기에서 발생하는 계산 지연이 끝나는 시점과 일치시킴으로써 상기 제어기에서 구동기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 장치.
  6. 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법에 있어서,
    센서와 제어기 사이에서 발생하는 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 단계; 및
    상기 제어기와 구동기 사이에서 발생하는 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 단계는;
    샘플링 시프팅 방법을 이용하여 상기 센서에서 제어기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전송 지연을 샘플링 시프팅 방법을 이용하여 제거하는 단계는;
    이전 샘플링 단계인 (k-1)번째 샘플링에서 발생하는 대기 시간을 측정하고, 현재 단계인 (k)번째 샘플링에서 상기 측정한 대기 시간만큼 시점을 조정하여 샘플링을 수행하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 단계는;
    태스크 스케줄링 방법을 이용하여 제어기에서 구동기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 전송 지연을 태스크 스케줄링 방법으로 제거하는 단계는;
    네트워크 설계 단계에서 제어 명령의 전송 시점을 제어기에서 발생하는 계산 지연이 끝나는 시점과 일치시킴으로써 상기 제어기에서 구동기로 전송하기 위해 대기하는 시간을 제거하는 것을 특징으로 하는 타임 트리거 통신 네트워크를 사용하는 제어 시스템에서의 네트워크 전송 지연 최소화 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009529270A (ja) 2006-03-08 2009-08-13 ローベルト ボッシュ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 非対称な遅延を補正する方法およびシステム

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