实时反馈控制实时控制

时间：2023-02-20 13:42:01 | 来源：营销百科

时间：2023-02-20 13:42:01 来源：营销百科

实时反馈控制实时控制：近年来，随着计算机、通信等科学技术的快速发展与应用，网络化、嵌入式计算在控制系统工程中的重要性日益显着。迄今为止，网络化嵌入式设备在应用数量上己经远远超过了各种通用计算机，其应用领域遍及航空航天、仪器仪表、过程控制、通讯、军事装备以及消费电子等。在实时系统中，任务的正确性不仅依赖于结果在逻辑与数值上的正确性，而且还与结果的产生时间紧密相关。显然，控制系统组成了一类极为重要的实时系统。由于实际应用中几乎所有的控制系统都是采用数字技术并基于一定的计算、通信平台来实现的，因此实时性对于控制系统的设计与实现起着至关重要的作用。

以实时系统的观点，系统的实时性在很大程度上取决于资源的可获取性，即系统能否在特定的时间内成功获得足够的资源来完成任务的执行。在现代实时控制系统(Real-Time Control Systems, RTCS)中，典型的资源包括控制器处理能力 (CPU速率)、能量和通信网络带宽等。与通用系统如桌面计算机不同的是，RTCS中绝大部分的网络化嵌入式平台都是资源受限的。其原因往往是多方面的。从技术角度看，由于实际应用需求等原因，嵌入式设备往往受到体积、重量等物理因素的限制，因而不可避免地导致了系统在CPU速率方面的局限性。为了提供确定性的实时通信，控制网络通常只能提供远小于以太网( Ethernet)等非实时网络的数据传输速率。而对于越来越多的采用电池供电的嵌入式设备来说，能量则成了一个自然的约束，特别是在电池技术的发展还远远没有跟上能耗增长脚步的今天。从经济方面考虑，为了尽可能降低开发成本，在大多数情况下实际系统并不会选用速率最高的CPU或带宽最大的通信网络，因为这些往往意味着过高的经济代价。基于这个原因，尽管计算机、通信技术发展迅速，也提供了一些能力更强的硬件设备，但实际系统中大量应用的计算、通信平台往往只为满足具体应用需求而配置，因而CPU处理能力、网络带宽以及能量等都是有限的。

尽管存在资源约束，但实际RTCS应用的复杂度却是越来越高。在许多场合，用户功能需求的不断增多、市场竞争的日益激烈等均是造成系统日益复杂化的驱动因素。于是，对于嵌入式环境下的大部分控制任务来说，以往专用的处理器将不复存在，不同任务不得不竞争同一处理器的使用。从某种意义上讲，多个任务对处理器的共享加剧了对电池能量的消耗，使得对系统能耗的管理变得更加重要。同样，随着系统的日益复杂化，传统点对点的通信方式也被网络化的通信体系所替代，多个节点必须在同一网络上传输数据。显然，多个应用对系统资源的共享使得这些原本就相对有限的资源变得更加紧缺，从而可能影响到控制系统的实时性能。不幸的是，这个问题随着一些COTS (Commercial Off The-Shelf)组件在RTCS中的不断应用而变得更加严峻。出于成本、平均性能等方面的考虑，一些非实时的操作系统如Linux, Windows CE, TinyOS等和非实时的通信网络如Ethernet, WLAN ( Wireless Local Area Network)等被不断地引入现代的实时控制应用中。由于这些组件不提供确定性的实时性服务，因此可能危害RTCS最终的控制性能。

与以往不同，如今的RTCS往往工作于以负载可变为新特征的动态环境中。为了应对市场需求，实际应用系统的敏捷度、可重构性、可扩展性等不断提高。这些特性使得在运行过程中对控制系统进行动态重组成为可能，从而方便了系统升级与维护，满足了系统柔性化的需求。然而，对系统进行在线重组的一个直接结果就是系统负载也会随之发生改变。比如，系统中原有的某些应用模块可能会被移除，而新的应用模块则可能被加入，或者仅仅由于对原有系统功能模块的升级而改变了某些应用对共享资源的需求量。此时，无论系统更新是否涉及控制应用模块，系统负载均会发生变化，从而影响到控制任务对共享资源的可获取性。在资源受限的背景下，这种负载可变的动态环境无疑使得资源获取的不确定性成为了制约实时控制性能的瓶颈所在，为RTCS的设计与实现提出了巨大的挑战。

以控制的观点，可用资源的不确定性将不可避免地导致控制回路的时态不确定性，具体表现为时变延迟和丢包(数据丢失)等，从而降低系统控制质量( Quality of Control, QoC ) ，甚至造成系统不稳定。