安全关键DCS中控制网络调度的相关问题研究

作者：王跃飞^*

来源：博士, 合肥工业大学, 2009-05-01.

• 安全关键系统
• 分布式控制系统
• 控制网络调度
• 时间隔离机制
• 模糊反馈调度

控制网络调度问题是安全关键分布式控制系统(SCDCS,Safety Critical DCS)设计的核心问题之一。相对于非安全关键DCS,SCDCS中控制网络调度设计需要满足更多方面的约束,以保证系统的可信性。本文对控制网络调度的研究现状和发展趋势进行了深人的分析,在此基础上从满足系统的控制性能、实时性和防危性要求出发,围绕着控制网络调度设计的前提条件——网络传输周期、具有防危隔离机制的网络调度方法和CAN网络的动态实时调度等三个方面内容进行了研究。本文的主要研究成果如下:(1)综述了安全关键系统、分布式控制系统和控制网络的特点,分析了控制网络调度问题的研究现状和发展趋势,指出网络调度策略和网络调度优化设计研究中存在的问题,提出了控制网络调度应该满足系统控制性能、实时性和防危性等多方面的约束。(2)针对回路是多输入多输出的多回路SCDCS,提出了基于控制和调度集成设计的网络传输周期确定方法。在该方法中,采用状态相对误差来描述回路控制性能,建立了回路性能函数的表达式;利用Lyapunov理论和矩阵测度特性分别推导出回路渐进稳定和具有指定稳定度的充分条件;在此基础上分别建立了回路最大允许传输间隔(MATI)求取公式。(3)将类似于防危核技术的时间隔离机制引入到控制网络调度中,提出了具有防危隔离机制(TIM)的开放式网络调度框架;通过对该调度框架的分析,建立了三层结构的实时调度模型;针对该模型中轮转式非抢占EDF算法,推导出了其可调度性的判定条件;在此基础上,提出了整个分层调度的可调度性判定条件,并给出了详细的证明。利用该判定条件建立了网络调度中时间参数的求取方法。(4)推导出了理想传输和实际传输情况下CAN消息的最坏传送时间公式,分析了CAN网络传输中的随机抖动对具有TIM网络调度方法的影响。为降低该不良影响,将反馈调度引入到网络调度中来,建立了模糊反馈EDF调度(FFC-EDF)框架;给出了模糊控制器控制机理及其输出量变化到调度参数变化的线性映射方法;分析了多网段结构下的FFC-EDF调度,建立了基于图分割的网段优化模型及寻优的小生境自适应遗传算法。