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《合肥工业大学》 2010年
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控制系统中多模冗余与网络可靠性研究

张本宏  
【摘要】:提高系统可靠性和安全性主要有两种技术:一种是避错技术、一种是容错技术。避错技术通过质量控制、环境防护及提高元件集成度等措施避免将故障引入系统,以达到增加系统可靠性和安全性的目的。然而再好的避错技术也不能完全防止故障的发生。容错技术以资源冗余为前提,通过采用故障限制、故障屏蔽或者重组的方法,使得系统即使在存在故障的情况下,仍能产生可靠安全的输出。 在采用容错技术的计算机控制系统中,使用较多的有双机比较结构、双机热备结构和三模表决冗余结构。近年来,在一些安全关键系统中,开始使用一种非表决的四模冗余结构——“二乘二取二冗余”(D2V2R:Double 2-Vote-2 Redundancy)结构。论文研究了这种冗余结构的工作原理和控制策略,并从可靠度、可用度和安全度角度对其性能进行了分析。论文还提出一种新的非表决四模冗余结构——双模冗余-比较”(C-DDMR:Comparison of Double Dual-Module Redundancy)结构,并将其性能与双机热备结构、三模表决冗余结构和“二乘二取二冗余”结构进行了对比。 计算机控制系统中,除了直接数字控制系统外,集散式控制系统、现场总线控制系统和网络化控制系统的处理单元都通过网络相连。这些系统的可靠性不仅与控制单元的可靠性有关,还与控制单元间链路的可靠性及网络拓扑结构有关。论文重点研究了多跳控制网络可靠度和可用度的计算方法以及部件重要度的分析方法。 论文的主要研究贡献归纳如下: (1)针对“二乘二取二”冗余结构的工作特点,提出了一种新的控制策略。现有的控制策略均假定子系统中有一个模块出现故障时,子系统将停止工作。采用这种工作策略可以保证系统有较高的安全性。如果子系统中在一个模块出现可测故障时,子系统不停机,则任意子系统中只要有一个模块正常,系统就可能继续正常工作。采用这种策略,则在故障检测覆盖度较大的情况下,可以以较小的安全度换取较大的可靠度。 (2)提出了一种新的冗余结构——“双模冗余—比较”结构模型。和“二乘二取二”冗余结构一样,该结构也是由两个子系统组成,所不同的是子系统内部是双机热备结构,子系统间是比较结构。针对“双模冗余—比较”结构,给出了两种控制策略,研究了两种策略下的性能。 (3)利用马尔可大过程对“双模冗余—比较”结构和“二乘二取二”冗余结构的性能进行了对比研究,讨论了各自的适用范围,即在模块故障检测覆盖率较大且修复率较小时适合使用“双模冗余—比较”结构;在模块故障检测覆盖率较小且修复率较大时适合使用“二乘二取二”冗余结构;其他情况下,两种结构的性能相差不大。 (4)提出了一种计算节点不完全可靠情况下t时刻控制网络k-端可靠度或可用度的方法。该方法的基本思想是先将图的边定义为控制网络的链路及其端点,再通过对图的邻接矩阵进行递归分解,从而得到t时刻不相交的边变量k-端路集。在此基础上,使用条件概率对边变量k-端路集的概率进行求解以得到控制网络k-端可靠度或k-端可用度。该方法不仅可用于分析节点和链路不可靠的情形,还可用于分析节点和节点问存在多条链路的情况。另外,在对邻接矩阵进行变换运算时,以矩阵元素而不是以边作为变换的对象,可大大减少矩阵运算次数。 (5)提出了一种基于图的路集完备集分析控制网络部件重要度的方法。介绍了图的路集完备集的概念,研究了路集完备集的性质及求法,给出了通过图的路集完备集计算结构重要度、概率重要度和关键重要度的过程和步骤。该方法可同时对这三种重要度指标进行快速分析。
【学位授予单位】:合肥工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP302.8

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