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EPA实时可靠通信协同调度与优化研究

章涵  
【摘要】:工业以太网在以化工、冶金为代表的流程自动化系统中应用日渐广泛。但是,在机器人、数控系统等工厂自动化系统中,工业以太网的应用受到限制。究其原因,是因为现有的网络化控制系统理论研究主要集中在针对流程工业被控对象的控制系统稳定性方面,而工程界对工业以太网研究重点是提高实时性和可靠性的具体方法。因此,需要以控制系统稳定为前提,提出应用于工厂自动化系统的工业以太网实时性和可靠性指标,并依据这些要求,研究实现网络实时可靠数据传输的具体方法。 本文在提出分别以网络化控制系统(NCS)中MADB(Maximum Allowable Delay Bound)和MATI(Maximum Allowable Trasnfer Interval)作为工业以太网实时性和可靠性性能指标。在综述工业以太网实时性和可靠性问题的国内外研究现状基础上,以我国自主制定的EPA工业以太网标准体系中EPA实时数据调度和DRP分布式故障探测方法为基础,研究EPA网络的实时数据和故障探测数据的协同调度以及在此基础上的实时性和可靠性优化方法,所取得的研究成果包括: 1.根据EPA实时数据通信调度机理,以现有NCS理论研究得出的MADB为指标,研究EPA系统的传输时延,建立EPA网络的传输时延模型,并分析了其中的不确定性因素。在此基础上,引入分布式故障探测机制,进一步修正为分布式故障探测下的EPA传输时延模型。通过实验证明,为了满足控制系统实时性要求,需要对分布式故障探测数据和EPA实时数据进行协同调度,避免冲突。 2.根据分布式故障探测机理,建立故障自愈时间模型,由模型分析证明高负荷的EPA实时数据传输影响自愈时间,降低系统可靠性,同样证明需要通过分布式故障探测数据和EPA实时数据的协同调度,保证EPA系统满足控制系统可靠性要求。 3.基于上述协同调度的必要性证明,研究分布式故障探测数据和EPA实时数据的协同调度以实现冲突避免的方法。根据系统可靠性和实时性要求,研究DRP和EPA通信宏周期的选取区间。提出了协同调度算法,实现分布式故障探测数据和EPA实时数据的协同调度,完全避免了这种不同数据的冲突。 4.根据提出的协同调度算法,分别从传输时延和自愈时间两个角度证明协同调度算法对于提高系统实时性和可靠性的有效性。结合EPA变频器网络的实验数据,通过协同调度前后传输时延与MADB和故障自愈时间与MATI的关系对比,论证了协同调度的有效性。证明协同调度能够同时提高数据传输实时性和可靠性,使之满足网络控制系统稳定运行的需要。 5.在实现协同调度的基础上,进一步研究实时性和可靠性的优化方法。以残余同步偏差为对象,首先研究建立残余同步偏差与自愈时间和传输时延的关系,在此基础上,结合实验数据,分析证明了当残余同步偏差处于特定区间内,可以通过降低残余同步偏差,有效的同时实现自愈时间和EPA传输时延的优化,进而实现EPA系统实时性和可靠性的优化。 6.基于降低残余同步偏差的优化有效性证明,研究大规模环形网络时钟同步方法。分析现有的边界传输和透明传输算法,提出了利用环形网络备用链路进行累积同步偏差反馈以及基于路径加权算法对该累积同步偏差进行反馈的两种不同方法。建立不同算法下多级网络系统中残余同步偏差模型。通过仿真验证和现场验证,证明两种算法均提高了大规模环形网络的时钟同步精度,实现EPA传输时延和自愈时间的同时优化。 本文最后对所有研究内容进行了总结和分析,并提出了进一步研究的设想和建议。


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