工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)通信與系統(tǒng)維護(hù)的建模與優(yōu)化.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)通信和設(shè)備維護(hù)是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行的兩個(gè)重要問題。在通信實(shí)時(shí)性問題上，基于工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)在以太網(wǎng)訪問控制層保留了CSMA/CD協(xié)議，該協(xié)議導(dǎo)致數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞后具有較大網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，在一定條件下，會(huì)導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，如何減小數(shù)據(jù)幀網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，提高通信實(shí)時(shí)性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行是值得深入研究的課題。在系統(tǒng)維護(hù)問題上，由于多數(shù)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是可維護(hù)系統(tǒng)，而非定期報(bào)廢系統(tǒng)，因此對(duì)系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行有效的維護(hù)

2、，能夠降低設(shè)備的失效概率，延長系統(tǒng)的工作壽命，對(duì)系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行具有重要意義。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信和設(shè)備維護(hù)問題，開展的具體研究工作如下:
　　數(shù)據(jù)幀在不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷下對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)緩存隊(duì)列長度有不同的需求，針對(duì)該問題，建立了基于排隊(duì)論的工業(yè)以太網(wǎng)緩存隊(duì)列長度需求模型。該模型對(duì)數(shù)據(jù)幀在工業(yè)以太網(wǎng)緩存隊(duì)列中的傳輸過程進(jìn)行分析，得出數(shù)據(jù)幀排隊(duì)延時(shí)是影響網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的主要因素，確定數(shù)據(jù)幀進(jìn)入緩存隊(duì)列過程的統(tǒng)計(jì)分布模型。用排隊(duì)理論對(duì)數(shù)

3、據(jù)幀排隊(duì)延時(shí)建立基于通信損失的數(shù)學(xué)模型并給出該模型下的目標(biāo)函數(shù)。利用邊際法求解目標(biāo)函數(shù)，得到最優(yōu)隊(duì)列長度。對(duì)該結(jié)果進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型建立的準(zhǔn)確性和有效性。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與WFQ方法得到的結(jié)果進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明該模型在通信損失上優(yōu)于WFQ方法。
　　工業(yè)以太網(wǎng)發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)傳輸速率在統(tǒng)計(jì)條件下能否達(dá)到平衡狀態(tài)直接影響工業(yè)以太網(wǎng)的通信效率。為了提高工業(yè)以太網(wǎng)的通信效率，建立了基于Markov理論的統(tǒng)計(jì)條件下工業(yè)以

4、太網(wǎng)通信效率優(yōu)化模型。該模型對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸狀態(tài)進(jìn)行分析，確定每種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率并以此構(gòu)成狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣。通過解平穩(wěn)狀態(tài)方程得到以太網(wǎng)處于每種狀態(tài)的概率，之后計(jì)算數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞后每次重傳成功概率。以數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功率最大為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)發(fā)送端數(shù)據(jù)幀的發(fā)送速率進(jìn)行了優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的有效性和實(shí)用性，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與SRTC方法進(jìn)行了比較，比較結(jié)果表明，該模型在以太網(wǎng)傳輸成功率、吞吐量及端到端平均延時(shí)上都

5、優(yōu)于SRTC方法。
　　為了提高冗余控制系統(tǒng)的工作壽命，提出了基于半Markov理論的冗余控制系統(tǒng)預(yù)防維護(hù)優(yōu)化方法。該方法在一些必要假設(shè)條件下對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，用半Markov鏈及再生點(diǎn)技術(shù)刻畫系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，得出系統(tǒng)的半Markov核。通過對(duì)半Markov核進(jìn)行拉普拉斯變換，得到系統(tǒng)狀態(tài)分布函數(shù)的象函數(shù)，并以此得到系統(tǒng)平均工作壽命的數(shù)學(xué)表達(dá)式。對(duì)該表達(dá)式進(jìn)行分析，得到不同條件下預(yù)防維護(hù)周期與系統(tǒng)平均工作壽命之間的關(guān)系，

6、并以定理的形式給出系統(tǒng)的最優(yōu)預(yù)防維護(hù)周期。最后給出了計(jì)算實(shí)例和仿真實(shí)驗(yàn)，計(jì)算實(shí)例和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法行之有效。
　　為了降低網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中設(shè)備失效帶來的損失，提出了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的無優(yōu)先級(jí)糾正維護(hù)模型和優(yōu)先級(jí)糾正維護(hù)模型。在無優(yōu)先級(jí)糾正維護(hù)模型中，對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)過程進(jìn)行描述，定義系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移狀態(tài)及狀態(tài)空間，分析并得到任意兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移概率。通過計(jì)算得出該系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移本質(zhì)上是一種特殊的Markov過程——生滅過程。在此基礎(chǔ)上

7、，利用排隊(duì)理論和卷積理論分析并得到了控制器的平均失效時(shí)間?？紤]失效控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，以系統(tǒng)穩(wěn)定性為約束條件，給出基于系統(tǒng)損失的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。在優(yōu)先級(jí)糾正維護(hù)模型中，給出每類控制器的優(yōu)先級(jí)，計(jì)算最高優(yōu)先級(jí)失效控制器的平均失效時(shí)間，分析并得到其它各類控制器的虛擬失效時(shí)間和實(shí)際失效時(shí)間的關(guān)系。通過遞推方式，得到各類控制器的實(shí)際失效時(shí)間?？紤]各類控制器的失效損失，給出帶約束條件的基于系統(tǒng)損失的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。最后通過兩組數(shù)值實(shí)例，驗(yàn)證了兩個(gè)