Bachelor Thesis BCLR-2019-13

BibliographyNieß, Adriaan: Simulation of control systems in IEEE 802.1Qbv networks using OMNeT++.
University of Stuttgart, Faculty of Computer Science, Electrical Engineering, and Information Technology, Bachelor Thesis No. 13 (2019).
67 pages, german.
Abstract

Cyber Physical Systems (CPS) verbinden physikalische und digitale Komponenten in dem Sensoren und Aktoren mit Softwarekomponenten über ein Netzwerk rückgekoppelt werden. Zur Einhaltung der Stabilitätskriterien dieser Systeme ist in vielen Fällen die Zusicherung harter Echtzeitanforderungen erforderlich. Ein Simulationsmodell, dass Time-sensitive Networking (TSN) mit Networked Control Systems (NCS) verbindet wäre deswegen ein wertvolles Hilfsmittel zur Evaluation dieser Systeme. Mit dem NeSTiNg Framework, das am Institut für Parallele und Verteilte Systeme (IPVS) der Uni Stuttgart im Rahmen eins Studienprojekts entwickelt wurde, stehen die Komponenten zur Simulation TSN fähiger Switches bereits zur Verfügung. Deshalb wurden in dieser Arbeit die Host Module für Regler, Sensor bzw. Aktuator implementiert. Da hierfür viele Funktionen aus der linearen Algebra sowie Numerik benötigt werden, wurde die wissenschaftliche Programmiersprache Julia verwendet. Das eventbasierte Simulationsframework Omnet++ wurde zu diesem Zweck um eine Plug-in-Schnittstelle erweitert, mit der Simulationsmodule statt in C++ nun auch in Julia implementiert werden können. Die Julia Anbindung für Omnet++ wurde hierbei so modular aufgebaut, dass diese als eigenständige Bibliothek auch unabhängig von anderen Komponenten einsetzbar ist. Am Beispiel eines LQ-Reglers für ein inverses Pendel wurde eine Proof of Concept Simulation innerhalb eines IEEE 802.1Qbv Netzwerkes evaluiert und dabei die Einflussfaktoren verschiedener Netzwerkschedulingsverfahren beobachtet. Zuletzt wurde noch ein Performance Benchmark der Julia Erweiterung für Omnet++ durchgeführt und dabei der Performance Overhead gegenüber herkömmlichen in C++ implementierten Modulen gemessen. Mit der Julia Anbindung für Omnet++ und den entwickelten Host Modulen können somit auf einfache und intuitive Weise NCS Prototypen entwickelt und analysiert werden.

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Volltext
Department(s)University of Stuttgart, Institute of Parallel and Distributed Systems, Distributed Systems
Superviser(s)Rothermel, Prof. Kurt; Carabelli, Ben
Entry dateMay 21, 2019
   Publ. Computer Science