题目：资源受限嵌入式机电控制系统调度算法研究

摘要嵌入式机电控制系统是机电系统的重要组成部分，是提高机电系统智能性、可靠性、精密性、兼容性的重要基础。由于嵌入式系统的资源受限本质，决定了嵌入式机电控制系统的资源受限性。因此，开展针对嵌入式机电控制系统资源受限环境下的调度算法研究，对于提高机电系统的整体性能，具有十分重要的意义。本文以资源受限嵌入式机电控制系统为研究对象，建立了资源调度模型，重点对处理器速率、网络带宽、电池容量三种典型资源约束下的调度算法开展了深入研究，并进行了相应的仿真和实验验证。针对现有资源调度模型结构分散，不能实现联合优化，不能突出资源受限特征的问题，采用综合建模的方法，提出了一种统一的资源调度模型。首先，对嵌入式机电控制系统的资源受限性进行分析，给出了三种典型的资源约束和需要满足的三种典型性能要求。然后，借鉴Q-RAM模型，建立了统一的资源调度模型，并结合嵌入式机电控制系统的属性，给出了优化实现方法。该模型可以便捷地描述系统中多个应用共享资源，且存在多种资源约束情况下的多维性能的联合优化问题，具有通用性。在处理器调度方面，提出了一种动态权重调度算法。首先，在多控制回路共享单个处理器的情况下，建立了控制回路采样频率的静态优化模型，并根据Kuhn-Tucker条件进行求解。然后，引入控制回路状态，建立状态反馈优化模型，并给出了优化结果。针对最优状态反馈调度运算开销大，难以实现的问题，借鉴启发式思想，采用时间窗和状态预测的方法，获取控制回路的动态权重。在静态权重的基础上，建立了动态权重优化模型，给出优化结果，并将动态权重映射到反馈调度环节。最后，通过仿真，与瞬态时间域动态权重和静态权重调度算法相比较，验证了该方法在降低调度开销和提高系统整体控制性能方面的有效性。在网络带宽调度方面，提出了一种分层的递阶模糊逻辑调度算法。首先，在多控制回路共享单个控制网络的情况下，控制回路采用事件触发控制机制，并给出了其可调度条件。然后，针对控制回路死区值（触发门限）的设置问题，采用两层模糊逻辑，构建了反馈调度器。在模糊逻辑的顶层，由于输入变量较多，采用递阶模糊逻辑，防止了“维数灾”问题的出现。为了克服人工经验的影响，采用遗传算法对调度参数进行优化。最后，通过仿真和实验，与采用时间触发控制和静态死区的调度算法相比较，验证了该方法在降低网络带宽占用和提高系统性能方面的有效性。在能耗优化方面，提出了一种基于神经网络的反馈调度算法。首先，在多控制回路共享单个处理器的情况下，基于处理器DVS模型，建立了控制性能和系统能耗的联合静态优化模型，并采用迭代查询方法和序列二次规划方法进行求解。然后，针对在动态环境下，优化算法运算量大，难以在线实现的问题，采用小波神经网络构建了反馈调度器，通过对静态优化结果的逼近，来实现最优反馈调度。最后通过仿真，与最优控制性能和最小能耗调度算法相比较，验证了该方法在降低系统整体能耗和提高系统整体性能方面的有效性。最后，基于上述研究工作，结合某大型舰船消磁测控系统，构建了嵌入式消磁控制器，并组成测控网络。在所构建的平台上，对本文提出的调度算法进行仿真与部分实验验证，所得结论与理论分析结果相符合，验证了其有效性。本文在嵌入式机电控制系统的资源调度方面，取得了一些有意义的研究成果，并对其它领域的资源受限调度问题具有一定的借鉴意义。