【正文】 : ―A Matlab toolbox for realtime and control systems codesign.‖ In Proceedings of the 6th International Conference on RealTime Computing Systems and Applications, pp. 320–327. Hong Kong, . China. Eker, J., P. Hagander, and K. Erik 197。rz233。n (2022): ―A feedback scheduler for real–time control tasks.‖ Control Engineering Practice, 8:12, pp. 1369–1378. Palopoli, L., L. Abeni, and G. Buttazzo (2022): ―Realtime control system analysis: An integrated approach.‖ In Proceedings of the 21st IEEE RealTime Systems Symposium. Orlando, Florida. Storch, M. F. and J. . Liu (1996): ―DRTSS: A simulation framework for plex realtime systems.‖ In Proceedings of the 2nd IEEE RealTime Technology and Applications Symposium, pp. 160–169. 15 屆 IFAC 在世界自動(dòng)控制代表大會(huì)上，巴塞羅那，西班牙， 2022 年七月 TrueTime：計(jì)算機(jī)資源共享下的閉環(huán)控制模擬 Dan Henriksson, Anton Cervin, KarlErik 197。rz233。n 自動(dòng)控制部門 隆德理工學(xué)院 摘要 本文介紹了 TrueTime，一個(gè)用于 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的， 以 MATLAB/ Simulink 為基礎(chǔ)的的模擬工具。 TrueTime 使之成為可以模擬包含控制器任務(wù)在內(nèi)的多任務(wù)實(shí)時(shí)核心的時(shí)間響應(yīng)，并且研究中央處理器和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度對(duì)控制性能的影響。這個(gè)模擬實(shí)時(shí)核心采用事件驅(qū)動(dòng)，可以處理詳細(xì)的外部中斷細(xì)節(jié)，如上下文切換。隨著隨機(jī)調(diào)度策略的確定，控制的任務(wù)可使用 C 語言函數(shù)， M 函數(shù)，或仿真軟件框圖來實(shí)現(xiàn)。下面將舉例說明 TrueTime 的用法。 1. 簡介 大多數(shù)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)都是被嵌入式系統(tǒng)，它是由一個(gè)大工程系統(tǒng)組成的。而控制器常常在一個(gè)微處理器上使用一個(gè)實(shí)時(shí)核心或一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來執(zhí)行一個(gè)或幾個(gè)任務(wù)。在大多數(shù)情況下這個(gè)微處理器也包含其他函數(shù)或任務(wù)，例如：通訊和用戶界面。核心或操作系統(tǒng)通常在一個(gè)單獨(dú)的中央處理器中用多道程序設(shè)計(jì)來多元化的執(zhí)行不同任務(wù)的。這個(gè)中央處理器時(shí)間和通訊帶寬因此可被視為共享某個(gè)任務(wù)爭奪的資源。計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)控制理論通常假設(shè)等距離的樣本間隔和可忽略的或者連續(xù)的控制延遲，換而言之，它們都是在采樣輸入控制器和同時(shí)的輸出之間的潛在因素。然而，這在實(shí) 踐中很少能被實(shí)現(xiàn)。因?yàn)楦黝惾蝿?wù)在通訊中由于優(yōu)先權(quán)和妨礙而相互干擾。執(zhí)行時(shí)間可能是依靠數(shù)據(jù)的或者不同的原因例如使用的緩存。這個(gè)結(jié)果導(dǎo)致了采樣周期和潛在因素中的抖動(dòng)。一個(gè)額外的不確定性原因是在控制系統(tǒng)中逐漸增加的商業(yè)設(shè)備元件的使用，例如：通用操作系統(tǒng)比如 Windows 和 Linux，通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比如以太網(wǎng)。 它們被設(shè)計(jì)來優(yōu)化平均事件的性能而不是降低實(shí)踐的性能，從而來提高不確定性。 這類時(shí)間的不確定性在控制性能上的影響是非常巨大的，如果可能，應(yīng)該檢查分析清楚。那么最簡單的方法就是用模擬來來替代使用。然而，今日的模擬工 具很難模擬閉環(huán)控制的的真正時(shí)間響應(yīng)。經(jīng)常做的只是介紹在閉環(huán)控制中以平均事件或者最壞情況為代表下的時(shí)間延遲。 在這片論文中新的模擬工具 TrueTime 將被介紹。基于MATLAB/Simulink 軟件的 TrueTime 工具，很可能將成為可以模擬一個(gè)包含控制器任務(wù)在內(nèi)的多任務(wù)實(shí)時(shí)核心的時(shí)間響應(yīng)。其中控制器任務(wù)由普通仿真模擬軟件模塊構(gòu)成控制過程模型。不同的調(diào)度策略可以被采用，例如：優(yōu)先驅(qū)動(dòng)器或者期限驅(qū)動(dòng)調(diào)度?？刂破魅蝿?wù)的執(zhí)行時(shí)間可以被設(shè)計(jì)成保持不變的的或者采用了適當(dāng)?shù)母怕史植己蟮臅r(shí)變時(shí)間。 上下文 切換和中斷處理都會(huì)被 考慮到，同樣考慮到的還有采用事件和檢測(cè)器的任務(wù)同步。使用 TrueTime 我們也許可以模擬采用了通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)響應(yīng)，例如：網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)控制。 TrueTime 可以被用于以下幾種用途：檢查時(shí)間不確定性對(duì)控制性能的真實(shí)影響；為以實(shí)際時(shí)間變化的測(cè)量為依據(jù)的動(dòng)態(tài)控制器設(shè)計(jì)補(bǔ)償方案；用新的、更加靈活的方法來做實(shí)驗(yàn)，例如，時(shí)間反饋 [Ekeret 等， 2022]和以時(shí)間趨近為基礎(chǔ)的服務(wù)質(zhì)量；和模擬基于事件的控制系統(tǒng)，例如，燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和離散控制器。 圖 1 仿真模塊界面。在模擬中時(shí)間調(diào)度和檢測(cè)器端口提供部分共有資源 （ CPU、檢測(cè)器、網(wǎng)絡(luò)模塊）的分配 相關(guān)工作 盡管存在許多工具或支持控制系統(tǒng)的模擬（例如 Simulink），或支持實(shí)時(shí)調(diào)度的模擬（例如 STRESS[Audsley 等 ]和 DRTSS[Storch 和 Liu，1996]），但仍很少有工具能同時(shí)支持控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真和時(shí)間調(diào)度。 早期， TrueTime 的標(biāo)志性原型被介紹在 [Eker 和 Cervin， 1999]。由于它不是基于事件，而且它的早期版本很少有支持中斷處理，并且不可處理細(xì)致化的模擬細(xì)節(jié)。此外，它也不支持網(wǎng)絡(luò)仿真。 RTSIM 實(shí)時(shí)調(diào)度模擬器（一個(gè)單獨(dú)的 C++程序）最近已經(jīng)被用數(shù)值模塊（依據(jù)八度音庫）擴(kuò)展來支持連續(xù)動(dòng)態(tài)模擬，見 [Palopoli 等， 2022 ]。然而，它缺乏一個(gè)圖形化建模環(huán)境，并且到目前為止它的網(wǎng)絡(luò)能力是有限的。 概要文件 模擬環(huán)境中的一些細(xì)節(jié)將在第 2 節(jié)中描述。下面將給出三個(gè)例子來說明模擬器的使用。第一個(gè)例子是在過載情況下的調(diào)度處理；第二個(gè)例子的主題是網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)；而最后一個(gè)例子是評(píng)估控制器任務(wù)的改進(jìn)調(diào)度技術(shù)。 2 模擬器 該 TrueTime 仿真環(huán)境提供了兩種 Simulink 模塊：計(jì)算機(jī)模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊，其接口形式如圖 1 所示。輸入信號(hào)，除 了連接到 A/D 端口的信號(hào)可能是連續(xù)的以外，都被認(rèn)為是離散的。所有的輸出信號(hào)都是離散的。該調(diào)度和檢測(cè)器端口提供了在仿真中公共資源（如 CPU，顯示器，網(wǎng)絡(luò)）的分配圖（圖 4， 7 和 9）。 這兩個(gè)模塊都是事件驅(qū)動(dòng)型的，并且是在內(nèi)部和外部事件的基礎(chǔ)上執(zhí)行的。內(nèi)部事件對(duì)應(yīng)由時(shí)鐘引起的中斷，例如，由事件隊(duì)列釋放的任務(wù)或一個(gè)定時(shí)器的溢出。外部事件對(duì)應(yīng)于當(dāng)信號(hào)被連接到外部中斷端口時(shí)或網(wǎng)絡(luò)端口改變其值時(shí)發(fā)生的外部中斷。 這些模塊是可逐級(jí)變化的，離散的，其在 MATLAB 中的 S 函數(shù)是用C 語言編寫的，且其仿真引擎僅僅被用于計(jì)時(shí)，并與該 模型的其余接口連接。因此，只要它們支持事件檢測(cè)（過零檢測(cè)），那么它應(yīng)該是很容易將這些模塊移植到其他仿真環(huán)境中。 計(jì)算機(jī)模塊 計(jì)算機(jī)模塊 S 函數(shù)模擬了一臺(tái)擁有靈活的、實(shí)時(shí)的、能夠執(zhí)行用戶定義的線程和中斷處理程序的內(nèi)核的計(jì)算機(jī)。該線程可以是定期的或不定期的，而且可被用來模擬控制器任務(wù)、通信任務(wù)等。中斷處理程序是被用來為內(nèi)部和外部中斷服務(wù)的。該內(nèi)核包含了常見于實(shí)時(shí)核心的多項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括：一個(gè)現(xiàn)成的隊(duì)列、一個(gè)時(shí)間隊(duì)列、和線程記錄、中斷處理程序、事件、檢測(cè)器等。 在模擬過程中執(zhí)行的代碼是由用戶編寫的功能函數(shù)組 成的，它們已經(jīng)被線程和中斷處理程序關(guān)聯(lián)。這些功能函數(shù)可以用 C 語言（為了快速執(zhí)行）或者 M 代碼（為了便于使用）。 執(zhí)行過程存在三個(gè)不同的優(yōu)先級(jí)：中端級(jí)（最高）、內(nèi)核級(jí)和線程級(jí)（最低）。因此，執(zhí)行過程可以優(yōu)先進(jìn)行，也可以不優(yōu)先進(jìn)行。在中斷級(jí)別，中斷處理程序是按一定的優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行調(diào)度，然而在線程級(jí)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)也可以使用。這些線程優(yōu)先級(jí)是由用戶自定義的優(yōu)先級(jí)功能函數(shù)確定的，該函數(shù)包含了一個(gè)線程的屬性功能。這使得它很容易模擬不同的調(diào)度策略。例如：一個(gè) 返回線程的絕對(duì)的最后期限的 功能函數(shù) 實(shí)現(xiàn)了限期驅(qū)動(dòng)調(diào)度。 用戶編碼的執(zhí)行 1 3 2 模擬執(zhí)行時(shí)間 圖 2 與線程和中斷處理程序相關(guān)的代碼的執(zhí)行是由若干不同執(zhí)行時(shí)間 的代碼段模仿而成的。并且用戶代碼的執(zhí)行發(fā)生在每個(gè)代碼段的開頭 。 線程 每個(gè)線程是由一組其中大部分是當(dāng)線程創(chuàng)建時(shí)被用戶已初始化設(shè)置的屬性集定義的。這些屬性包括：名稱、發(fā)布時(shí)間、相對(duì)和絕對(duì)截止日期、一個(gè)執(zhí)行時(shí)間預(yù)算、一個(gè)周期（如果該線程是周期性的）、優(yōu)先級(jí)（如果固定優(yōu)先級(jí)被使用）和與線程相關(guān)聯(lián)的用戶代碼。這些屬性的一部分，比如發(fā)布時(shí)間和執(zhí)行時(shí)間預(yù)算都在不斷的更新過程仿真內(nèi)核。而其余的屬性則可以通過功能函數(shù)調(diào)用用戶代碼來改變更新，但在其他方面保持不變。 任意的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都可以被定義和連接到每個(gè)線程來表示該線程的本地內(nèi)存。而其他線程可以訪問這些數(shù)據(jù)，它們可用于系統(tǒng)級(jí)的用來支持模擬的線程 之間的通信，例如，反饋調(diào)度。這也是可能進(jìn)一步聯(lián)想到三個(gè)不同的關(guān)于每個(gè)線程的中斷處理程序：代碼終止處理程序，超限處理程序以及執(zhí)行時(shí)間溢出處理程序。 中斷處理程序 當(dāng)一個(gè)內(nèi)部或外部中斷發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的中斷處理程序被激活，并由內(nèi)核調(diào)度。類似于線程，中斷處理程序也有一個(gè)基本的屬性設(shè)置：名稱、優(yōu)先級(jí)以及相關(guān)的用戶代碼。外部中斷也有潛伏期，在此期間他們對(duì)新的調(diào)用是不敏感的。 代碼 與線程和中斷處理程序相關(guān)聯(lián)的用戶代碼的執(zhí)行過程被分為若干不同的模擬執(zhí)行時(shí)間段如圖 2 所示。執(zhí)行時(shí)間可以是常量，隨機(jī)或者由數(shù)據(jù)而定。用戶代碼的 執(zhí)行發(fā)生在每個(gè)代碼段的開始。而接下來的部分直到與前部分相關(guān)聯(lián)的時(shí)間在模擬器中運(yùn)行完才開始執(zhí)行。這種結(jié)構(gòu)使得它有可能模擬與其它任務(wù)的相互作用有關(guān)的代碼的適時(shí)方面。這包括，例如，計(jì)算，輸入和輸出操作，等待事件和利用檢測(cè)器檢測(cè)關(guān)鍵地區(qū)的執(zhí)行過程。經(jīng)過上部分的執(zhí)行該線程的代碼終止處理程序被激活。對(duì)于周期性的線程，它僅僅更新了釋放時(shí)間和截止期限，并且將該線程置于休眠狀態(tài)直到下一個(gè)周期開始。然后在第一段再開始執(zhí)行。 表 1 內(nèi)核原語（偽代碼）舉例，它們可以調(diào)用線程和中斷處理程序。 網(wǎng)絡(luò)模塊 該網(wǎng)絡(luò)模型類似于實(shí) 時(shí)內(nèi)核模型，盡管更簡單。網(wǎng)絡(luò)模塊是事件驅(qū)動(dòng)型的，并且當(dāng)消息進(jìn)入或離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)執(zhí)行。一隊(duì)發(fā)送隊(duì)列用于保存當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的所有成隊(duì)列的消息（比如在實(shí)時(shí)內(nèi)核中的就緒隊(duì)列）。這個(gè)消息包含了有關(guān)發(fā)送和接收計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)容、用戶數(shù)據(jù)（通常是測(cè)量信號(hào)或控制信號(hào)）、傳輸時(shí)間、以及可選的實(shí)時(shí)屬性比如優(yōu)先級(jí)或最后期限。 一個(gè)用戶定義的優(yōu)先級(jí)功能函數(shù)通常被用來確定在其中傳輸隊(duì)列信息的排隊(duì)順序。這樣一來，將很容易模擬不同網(wǎng)絡(luò)策略。當(dāng)一條消息已經(jīng)完成模擬傳輸，它將被放在接收計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)緩沖區(qū)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)是由外部中斷通知的。這次傳輸過程是 可以被優(yōu)先執(zhí)行，也可以照常執(zhí)行，當(dāng)然后者是默認(rèn)執(zhí)行的。 初始化 在仿真開始之前，計(jì)算機(jī)模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊必須被初始化。這樣做是為了給每一個(gè)模塊添加腳本。初始化包括指定輸入和輸出的端口數(shù)、選擇優(yōu)先級(jí)功能、定義代碼功能、創(chuàng)建線程和中斷處理程序等。 寫代碼功能 一個(gè)代碼功能包括作為輸入?yún)?shù)要執(zhí)行的部分，和返回該段的執(zhí)行時(shí)間。內(nèi)核提供了一套可以調(diào)用用戶代碼的實(shí)時(shí)原語句集，請(qǐng)參閱表 1 中的一些例子。下面將給出一個(gè)簡單的控制器代碼功能 function exectime = myController(seg) switch (seg), case 1, y = ttAnalogIn(1)。 u = calculateOutput(y)。 exectime = % execution time case 2, ttAnalogOut(1,u)。 updateState(y)。 exectime = % execution time case 3, exectime = 1。 % code termination end 在上面的例子中輸入輸出上總是有至少 2ms 的延遲，這是第一部分的執(zhí)行時(shí)間。但是，從更高的優(yōu)先級(jí)的線程或中斷搶占可能會(huì)導(dǎo)致更長的延遲。 圖 3 作為使用普通離散仿真模塊的為代表的控制器可被直接用于 TrueTime來評(píng)估定時(shí)性能。上面的例子顯示了一個(gè) PI控制器。 作為使原本的控制器算法生效的替代品， TrueTime 還允許使用離散仿真模塊的圖形表示 。模塊系統(tǒng)調(diào)用使用了原語 ttCallBlockSystem 的代碼功能函數(shù)。一個(gè) PI 控制器的框圖如圖 3 所示，并且下面將給出代碼功能函數(shù)中相對(duì)應(yīng)的使用 function exectime = piController(seg) switch (seg), case 1, in(1) = ttAnalogIn(1)。 i