工業(yè)以太網實時通信與系統(tǒng)維護的建模與優(yōu)化.pdf

1、網絡化控制系統(tǒng)中的實時通信和設備維護是保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運行的兩個重要問題。在通信實時性問題上，基于工業(yè)以太網的網絡化控制系統(tǒng)在以太網訪問控制層保留了CSMA/CD協(xié)議，該協(xié)議導致數(shù)據幀發(fā)生碰撞后具有較大網絡延時，在一定條件下，會導致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，如何減小數(shù)據幀網絡延時，提高通信實時性，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的運行是值得深入研究的課題。在系統(tǒng)維護問題上，由于多數(shù)網絡化控制系統(tǒng)是可維護系統(tǒng)，而非定期報廢系統(tǒng)，因此對系統(tǒng)中的設備進行有效的維護

2、，能夠降低設備的失效概率，延長系統(tǒng)的工作壽命，對系統(tǒng)安全、可靠的運行具有重要意義。針對網絡化控制系統(tǒng)的實時通信和設備維護問題，開展的具體研究工作如下:
　　數(shù)據幀在不同網絡負荷下對工業(yè)以太網緩存隊列長度有不同的需求，針對該問題，建立了基于排隊論的工業(yè)以太網緩存隊列長度需求模型。該模型對數(shù)據幀在工業(yè)以太網緩存隊列中的傳輸過程進行分析，得出數(shù)據幀排隊延時是影響網絡延時的主要因素，確定數(shù)據幀進入緩存隊列過程的統(tǒng)計分布模型。用排隊理論對數(shù)

3、據幀排隊延時建立基于通信損失的數(shù)學模型并給出該模型下的目標函數(shù)。利用邊際法求解目標函數(shù)，得到最優(yōu)隊列長度。對該結果進行仿真實驗，實驗結果驗證了模型建立的準確性和有效性。將實驗結果與WFQ方法得到的結果進行了比較，比較結果表明該模型在通信損失上優(yōu)于WFQ方法。
　　工業(yè)以太網發(fā)送端和接收端的數(shù)據傳輸速率在統(tǒng)計條件下能否達到平衡狀態(tài)直接影響工業(yè)以太網的通信效率。為了提高工業(yè)以太網的通信效率，建立了基于Markov理論的統(tǒng)計條件下工業(yè)以

4、太網通信效率優(yōu)化模型。該模型對工業(yè)以太網傳輸狀態(tài)進行分析，確定每種狀態(tài)之間的轉移概率并以此構成狀態(tài)轉移概率矩陣。通過解平穩(wěn)狀態(tài)方程得到以太網處于每種狀態(tài)的概率，之后計算數(shù)據幀發(fā)生碰撞后每次重傳成功概率。以數(shù)據幀發(fā)送成功率最大為目標函數(shù)，對發(fā)送端數(shù)據幀的發(fā)送速率進行了優(yōu)化。對優(yōu)化結果進行了仿真實驗，實驗結果驗證了模型的有效性和實用性，同時將實驗結果與SRTC方法進行了比較，比較結果表明，該模型在以太網傳輸成功率、吞吐量及端到端平均延時上都

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)預防維護優(yōu)化方法。該方法在一些必要假設條件下對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行分析，用半Markov鏈及再生點技術刻畫系統(tǒng)狀態(tài)轉移概率，得出系統(tǒng)的半Markov核。通過對半Markov核進行拉普拉斯變換，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)學表達式。對該表達式進行分析，得到不同條件下預防維護周期與系統(tǒng)平均工作壽命之間的關系，

6、并以定理的形式給出系統(tǒng)的最優(yōu)預防維護周期。最后給出了計算實例和仿真實驗，計算實例和仿真實驗驗證了該方法行之有效。
　　為了降低網絡化控制系統(tǒng)中設備失效帶來的損失，提出了網絡化控制系統(tǒng)的無優(yōu)先級糾正維護模型和優(yōu)先級糾正維護模型。在無優(yōu)先級糾正維護模型中，對系統(tǒng)的維護過程進行描述，定義系統(tǒng)的轉移狀態(tài)及狀態(tài)空間，分析并得到任意兩個系統(tǒng)狀態(tài)之間的轉移概率。通過計算得出該系統(tǒng)狀態(tài)轉移本質上是一種特殊的Markov過程——生滅過程。在此基礎上

7、，利用排隊理論和卷積理論分析并得到了控制器的平均失效時間。考慮失效控制器對整個系統(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)化目標函數(shù)。在優(yōu)先級糾正維護模型中，給出每類控制器的優(yōu)先級，計算最高優(yōu)先級失效控制器的平均失效時間，分析并得到其它各類控制器的虛擬失效時間和實際失效時間的關系。通過遞推方式，得到各類控制器的實際失效時間?？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)化目標函數(shù)。最后通過兩組數(shù)值實例，驗證了兩個