As the performance of computers improves, the use of digital controllers has been increased in a wide variety of fields. The design procedure for real-time control system is composed of two stages. One is the controller design stage, and the other is the implementation stage.
In the controller design stage, various digital control theories are utilized with assumptions: synchronous sampling, no sampling jitter, and negligible feedback latency (latency from sensing to actuation). However, in the implementation stage, multiple control tasks are usually scheduled on a processor, which causes finite sampling period, varying feedback latency, and sampling jitter, and hence the assumptions in the controller design stage are no longer valid. These scheduling-induced delay and jitter degrade the control performance. In order to obtain better control performance, it is necessary to consider the effect of real-time scheduler on digital controllers.
In this dissertation, we investigate the relationship between control performance and timing parameters such as sampling period, feedback latency, and jitter. Using this relationship, we formulate a new performance index with timing parameters. The new performance index with timing parameters can help a system designer to make a trade-off in real-time scheduling. In order to measure the effects of timing parameters, we define the degradation factor of each timing parameter, and found that the degradation factor of feedback latency is larger than those of other timing parameters.
Using these property, we propose a heuristic algorithm, near-optimal period assignment algorithm, for maximizing control performance. We show that proposed algorithm finds optimal period set in feasible area much faster than full search method. In addition, we introduce scheduling algorithms which improve overall control performance under limited computing resource condition.
First, we propose non-preemptive last section(NPLS) assignment algorithm which reduces feedback latency and improves control performance. The algorithm maximizes the execution time of NPLS in order to reduce the feedback latency, subject to the constraint that maintains or improves the schedulability of preemptive RM scheduler.
Second, we propose a primary-first scheduling algorithm by using decomposed control task model ,which re-assigns priorities and makes non-preemptive section to minimize feedback latency and jitter.
Finally, we introduce the notion of virtual deadline, and extend the concept of primary-first algorithm to be used in dynamic-priority scheduling algorithm. Also it is presented that EDF scheduler using this notion provides better control performance than typical EDF scheduler.
These methods can be used to implement real-time control system on both fixed-priority and dynamic-priority scheduling. The effectiveness of the proposed algorithms is shown via various illustrative examples.
컴퓨터의 성능이 향상됨에 따라 디지털 제어기가 산업 여러분야에서 사용되고 있다. 디지털제어기의 설계절차는 제어기법 설계 단계와 제어기 구현 단계의 두단계로 나눌 수 있다. 제어기법 설계 단계에서는 등간격의 샘플링, 무시할만하거나 일정한 값을 갖는 지연시간을 갖는다고 가정하고 여러가지 디지털 제어 이론을 이용하여 제어기법이 설계된다. 그러나 제어기의 구현단계에서 여러개의 제어 태스크를 하나의 컴퓨터에서 수행시키게 되면 제어기법설계 단계에서 가정하였던 것이 맞지 않게 된다. 즉, 여러개의 태스크가 하나의 컴퓨터에 스케쥴링될 때는 컴퓨터의 제한된 연산 능력으로 인해 sampling period의 최소값이 제한되어지고 궤환 지연(feedback latency)의 변동, 샘플링 변화(sampling jitter) 등이 발생하게 되며 이로인해 제어 성능이 저하되는 문제를 발생시킨다. 따라서 더 나은 제어성능을 얻기 위해서는 실시간 스케쥴러가 디지털 제어기에 미치는 영향을 고려하는 것이 필요하게 된다.
본 논문에서는 여러 개의 제어 태스크를 하나의 컴퓨터에서 수행시킬 경우 스케쥴러에 의해 발생되는 궤환지연, 샘플링 변화, 궤환지연변화(feedback jitter) 등이 제어 성능에 미치는 영향을 분석하였으며 이러한 분석을 통해 제어성능 지수를 스케쥴러에 의해 발생되는 시간변수(timing parameter)들로 나타내었다. 스케쥴러에 의해 발생되는 시간변수가 제어 성능에 미치는 영향을 분석하기 위하여 각각의 시간변수에 대하여 제어 성능 저감 계수를 정의하였다. 이를 통해 궤환지연이 제어 성능에 미치는 영향이 크다는 것을 발견하였다. 이러한 특성을 이용하여 일정범위의 태스크 허용주기를 갖는 제어 태스크들의 경우에 대하여 최적 제어 주기를 찾는 경험적 기법을 제안하였다. 이 기법은 제어태스크들이 조화된 주기(harmonic period)로 구성되었을 때 샘프링 및 궤환지연의 변화가 제거되며 궤환지연이 저감되는 특성을 이용하였으며 주기를 증가 시켜 궤환지연을 줄일 수 있는 경우도 또한 고려되었다. 이 기법은 전역탐색방법과 비교하여 볼 때 탐색영역을 현저하게 줄일 수 있게 하여 최적주기를 짧은 시간 내에 구할 수 있도록 하였다. 또한 제어 성능을 향상시킬 수 있는 다음과 같은 스케쥴링 기법을 제안하였다.
첫번째로, 제어 태스크의 마지막 부분을 비점유(non-preemptive)만들어 궤환지연을 줄이고 제어 성능을 향상시킬 수 있는 NPLS 할당 기법을 제안하였다. 이 기법은 점유가능한 RM (Rate-Monotonic)의 스케쥴 특성을 잃지 않게하면서 제어 태스크의 마지막부분의 비점유 구간을 최대화하여 제어 성능을 향상시켰다.
두번째로, 분리된 제어 태스크의 모델을 설명하고 이 태스크 모델을 이용하여 primary-first 스케쥴링 기법을 제안하였다.
마지막으로, 실시간 제어시스템을 가변 우선순위 스케쥴러를 이용하여 구현하는 경우에 대하여 제어성능을 향상시키기 위한 방법들을 제안하였다. 제안된 방법에서는 가변우선순위 스케쥴러로 가장 널리 쓰이는 EDF에 virtual deadline이라는 개념을 도입하여 feedback latency를 줄이고 기존의 EDF에 비해 더 나은 제어성능을 얻을 수 있음을 실질적인 예제를 통하여 보여주었다.
결론적으로 실시간 제어시스템을 구현 할 때 제어 성능에 미치는 여러 가지 시간요소를 고려하여 스케쥴링하는 방법을 제시함으로써 제어성능 향상시킬 수 있도록 하였다.
