白丹丹,劉宜成,周樹橋,涂海燕

(1.四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 610065;2.清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,北京 101408)

0 引言

面對工廠規(guī)模的擴(kuò)大,系統(tǒng)需要控制上萬個(gè)不同類型的設(shè)備,且需滿足可及時(shí)替換設(shè)備和更改設(shè)備規(guī)模等要求。然而,現(xiàn)階段的分布式控制系統(tǒng)[1-2]的架構(gòu)不能滿足需求:每個(gè)控制柜均有專門控制的現(xiàn)場設(shè)備,且無冗余備份,當(dāng)某個(gè)控制柜失效,對應(yīng)的設(shè)備將失控;調(diào)整方式不夠靈活加大控制柜的數(shù)量和能源消耗,且多個(gè)控制柜不利于集中管理[3];現(xiàn)場設(shè)備經(jīng)硬接線或者通信連接的方式與對應(yīng)的控制柜點(diǎn)對點(diǎn)連接,布線方式復(fù)雜且信息資源無法實(shí)現(xiàn)共享[4];僅配置雙冗余的實(shí)時(shí)服務(wù)器和歷史服務(wù)器,一旦出現(xiàn)服務(wù)器故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心將終止,增大故障覆蓋面[5]。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,分布式控制系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)來傳輸被控對象、傳感器、控制器與執(zhí)行器之間的信息[6],具有可遠(yuǎn)程操縱、各節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[7],因此在工業(yè)控制、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[8]。由于工業(yè)控制與信息管理系統(tǒng)的結(jié)合,工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)逐漸趨于規(guī)模大型化及結(jié)構(gòu)復(fù)雜化[9-11]。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有分層結(jié)構(gòu),包含多個(gè)子系統(tǒng)。子系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)組件通過現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)連接形成閉環(huán),而子系統(tǒng)之間通過工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行連接[12]。對于大規(guī)模且復(fù)雜的分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)來說,單個(gè)節(jié)點(diǎn)失效就會(huì)引起整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓,造成巨大的損失,而去中心化的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)無中心節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間互為備份,減少故障率,提高系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性。近年來,去中心化的思想被廣泛應(yīng)用到工業(yè)及計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域[13-14]。

本文針對大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和控制需求,引入去中心化思想,設(shè)計(jì)一種去中心化分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)。該架構(gòu)由現(xiàn)場層、控制層、控制網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控層構(gòu)成,各層通過控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信傳輸?？刂茖拥母鱾€(gè)控制器呈對等部署,按動(dòng)態(tài)映射表指定被控對象。通過冗余備份機(jī)制進(jìn)行控制器的動(dòng)態(tài)切換,從而實(shí)現(xiàn)控制器的去中心化;監(jiān)控層的服務(wù)器采用多個(gè)對等部署的形式,組成集群,利用映射表動(dòng)態(tài)更新機(jī)制使服務(wù)器對相應(yīng)的被控對象進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算,從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器去中心化?；诖罱ǖ目刂葡到y(tǒng)仿真平臺(tái),研究了冗余備份機(jī)制對維持該類型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的有效性以及驗(yàn)證該系統(tǒng)的網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)是否支持上萬個(gè)電機(jī)上百個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。

1 去中心化分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 去中心化分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鑒于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)大型且復(fù)雜化的發(fā)展趨勢,本文設(shè)計(jì)的去中心化分布式控制系統(tǒng)采用三層一網(wǎng)的分布式結(jié)構(gòu),分為現(xiàn)場層、控制層、管理層和控制網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。該分布式結(jié)構(gòu)將現(xiàn)場層、控制層與管理層利用控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)傳輸,實(shí)現(xiàn)了資源共享,具有便捷性以及實(shí)用性。同時(shí)由于控制網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性,網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和數(shù)據(jù)丟包等問題不可避免,并且每層的節(jié)點(diǎn)均有發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障的可能性。如若無備用節(jié)點(diǎn)則可導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法運(yùn)行。所以現(xiàn)場層、控制層與管理層均設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的多重冗余機(jī)制構(gòu)建去中心化結(jié)構(gòu),以提高系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性及可靠性。其中現(xiàn)場層包含近萬個(gè)被控對象及傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn),被控對象可按需靈活增加減少,并且根據(jù)對象類型匹配相應(yīng)控制算法?？紤]到傳感器與執(zhí)行器都與被控對象直接進(jìn)行信息傳遞,將傳感器與執(zhí)行器設(shè)計(jì)為同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),避免了傳感器與執(zhí)行器之間的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延,從而減少系統(tǒng)的時(shí)延,增強(qiáng)了實(shí)時(shí)性;控制層包含多個(gè)控制器節(jié)點(diǎn),每個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)獨(dú)立布置,且結(jié)構(gòu)相同,互為備份,其內(nèi)部包含多種可根據(jù)被控對象類型進(jìn)行針對性分配的控制算法;管理層包含4個(gè)服務(wù)器和1個(gè)操作終端,由于大型控制系統(tǒng)具有至少上百個(gè)節(jié)點(diǎn),多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)需要多個(gè)服務(wù)器去處理,因此在管理層設(shè)計(jì)了4個(gè)服務(wù)器,每個(gè)服務(wù)器所對應(yīng)的被控對象范圍可隨時(shí)調(diào)整,具有較為靈活的調(diào)試方式,操作終端利用GUI(graphical user interface)設(shè)計(jì)了一個(gè)圖形化的人機(jī)交互界面,便于簡單清晰地顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并且發(fā)出控制命令生成預(yù)設(shè)映射表;中心化分布式控制系統(tǒng)根據(jù)操作終端給定的預(yù)設(shè)映射表得到每個(gè)被控對象與之對應(yīng)的目標(biāo)控制器、目標(biāo)傳感器/執(zhí)行器及目標(biāo)服務(wù)器的編號(hào),通過目標(biāo)控制器、目標(biāo)傳感器/執(zhí)行器及目標(biāo)服務(wù)器之間信息交互來控制每個(gè)被控對象,從而形成多個(gè)由控制器、傳感器/執(zhí)行器及被控對象組成的控制回路。

圖1 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)

在去中心化分布式控制系統(tǒng)中,現(xiàn)場層、控制層和管理層通過控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,形成多個(gè)控制回路。下面將現(xiàn)場層、控制層、管理層和控制網(wǎng)絡(luò)逐一介紹。

1.2.1 現(xiàn)場層

通常工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的被控對象有著類型多和數(shù)量多的特點(diǎn)。針對該特點(diǎn),去中心化分布式控制系統(tǒng)的現(xiàn)場層由若干被控對象節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,并設(shè)計(jì)了映射表機(jī)制,可以指定被控對象與控制器節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系。而映射表的動(dòng)態(tài)更新機(jī)制,可以靈活改變被控對象節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及選擇多種類型的被控對象,提高了現(xiàn)場層的開放性及靈活性。現(xiàn)場層的被控對象與傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)連接,通過此連接可利用傳感器從被控對象采集信息傳輸至控制網(wǎng)絡(luò),并且利用執(zhí)行器從控制網(wǎng)絡(luò)獲取相應(yīng)控制信息傳遞至被控對象。被控對象與傳感器/執(zhí)行器的連接采用硬連接,可加速信息的傳輸速度以及減輕控制網(wǎng)絡(luò)的信息負(fù)載。由于被控對象節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多,因此將它們按一定數(shù)量規(guī)模分配至被控對象節(jié)點(diǎn)進(jìn)行封裝,并包含傳感器/執(zhí)行器,便于集中管理被控對象。

1.2.2 控制層

去中心化分布式網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制層由若干控制器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,每個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)與其內(nèi)部包含的控制算法均相同,這些控制器節(jié)點(diǎn)之間形成多重冗余?？刂破鞴?jié)點(diǎn)呈對等部署狀態(tài),不再面對特定的控制對象集合,并且獨(dú)立布置,完全按照系統(tǒng)的需求配置控制器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。一個(gè)控制器控制若干(按需擴(kuò)展)被控對象,每一個(gè)控制器里面可包含多種(按需擴(kuò)展)控制算法,對相應(yīng)的被控對象選擇合適的控制算法進(jìn)行控制。并且設(shè)計(jì)了冗余備份機(jī)制,當(dāng)控制器節(jié)點(diǎn)失效時(shí),尋找有效的控制器節(jié)點(diǎn)接替,從而實(shí)現(xiàn)控制器節(jié)點(diǎn)的去中心化。

1.2.3 管理層

當(dāng)去中心化分布式控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜化,資源變得多樣化,此時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控顯得尤為重要。本文系統(tǒng)利用GUI構(gòu)建人機(jī)交互界面,通過人機(jī)交互界面獲得節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒈豢貙ο蠊?jié)點(diǎn)與控制器節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系、服務(wù)器與控制器節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系等參數(shù)設(shè)置信息,并將該參數(shù)廣播至服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)及被控對象節(jié)點(diǎn)。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)和被控對象節(jié)點(diǎn)將重要參數(shù)和映射表進(jìn)行更新并保存至本地。此時(shí)GUI可以將目前的被控對象節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D及各類資源的實(shí)時(shí)利用情況顯示到界面,并且可以調(diào)用映射表以及設(shè)置修改映射表參數(shù)。通過GUI人機(jī)交互界面,可以清楚地查看與判斷系統(tǒng)基本運(yùn)行的狀態(tài),有利于快速實(shí)時(shí)地找到故障的位置。

由于去中心化分布式控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大,服務(wù)器需要處理的數(shù)據(jù)就偏多,甚至超出負(fù)荷。因此在去中心化分布式控制系統(tǒng)的管理層中構(gòu)建了多個(gè)服務(wù)器節(jié)點(diǎn),并且結(jié)構(gòu)相同,服務(wù)器節(jié)點(diǎn)之間互為冗余,實(shí)現(xiàn)了管理層的去中心化,將系統(tǒng)的故障覆蓋面大大降低。服務(wù)器按照負(fù)載均衡的原則,建立動(dòng)態(tài)的負(fù)載映射矩陣,對相應(yīng)控制器節(jié)點(diǎn)傳送的相應(yīng)被控對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、回溯等操作。通過GUI構(gòu)建的人機(jī)交互界面修改映射表參數(shù)可使負(fù)載映射矩陣發(fā)生更改,服務(wù)器節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的控制器節(jié)點(diǎn)范圍也發(fā)生相應(yīng)的變化,具有靈活的調(diào)整方式。

1.2.4 控制網(wǎng)絡(luò)

去中心化分布式控制系統(tǒng)的控制器節(jié)點(diǎn)、被控對象節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器節(jié)點(diǎn)均通過控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,所有的節(jié)點(diǎn)都可相互連接,形成網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。之所以采用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu),是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的節(jié)點(diǎn)均采用網(wǎng)絡(luò)連接,技術(shù)上便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)。同時(shí)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)支持各通信點(diǎn)間包含兩條或兩條以上的獨(dú)立通信鏈路,便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的去中心化,不易因單節(jié)點(diǎn)通信故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)通信鏈路故障,使系統(tǒng)更具穩(wěn)定性和可靠性。考慮到去中心化分布式控制系統(tǒng)具有較多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),而FDMA協(xié)議采用的是調(diào)頻的多址技術(shù),各個(gè)用戶在網(wǎng)絡(luò)通道的不同頻段并發(fā)傳輸數(shù)據(jù),不易造成數(shù)據(jù)丟失及時(shí)延,因此采用FDMA協(xié)議為去中心化分布式控制系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。并且FDMA協(xié)議具有技術(shù)成熟、穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn),應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,所以FDMA協(xié)議作為該系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議具有合理性。

1.3 系統(tǒng)機(jī)制設(shè)計(jì)

1.3.1 映射表動(dòng)態(tài)更新機(jī)制設(shè)計(jì)

整個(gè)去中心化分布式控制系統(tǒng)維護(hù)一個(gè)映射表,該映射表存放在服務(wù)器中,用于明確規(guī)定每個(gè)控制器所控制的被控對象,每個(gè)服務(wù)器所對應(yīng)的控制器。映射表動(dòng)態(tài)更新流程機(jī)制分為3個(gè)階段,分別為:映射表給定階段、映射表查看階段和映射表更新階段。映射表動(dòng)態(tài)更新機(jī)制概述為:

(1)映射表給定。初始映射表由運(yùn)行維護(hù)人員或者系統(tǒng)操作員利用操作終端GUI給定?？刂茖拥目刂破鞴?jié)點(diǎn)C,現(xiàn)場層的被控對象(傳感器/執(zhí)行器、被控對象節(jié)點(diǎn))O,被控對象節(jié)點(diǎn)單個(gè)用P表示,之間的映射關(guān)系為:

C=(C1,C2,…,CJ)=F(O1,O2,…,OM)

(1)

O1=(P11,P12,…,P1m1)

(2)

O2=(P21,P22,…,P2m2)

(3)

?

On=(Pn1,Pn2,…,Pnmn)

(4)

C1=F(O1)=F(P11,P12,…,P1m)

(5)

控制層的控制器節(jié)點(diǎn)C與管理層的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)S之間的映射關(guān)系為:

S=(S1,S2,…,SJ)=L(C1,C2,…,CM)

(6)

S1=L(C1)

(7)

被控對象、控制器、傳感器/執(zhí)行器和服務(wù)器之間的關(guān)系一一明確。給定的映射表如表1所示。

表1 給定的映射表

(2)映射表查看。將初始映射表存于服務(wù)器中,并且服務(wù)器把該映射表的以廣播的方式發(fā)送給所有的傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)從表中找到自己所對應(yīng)的被控對象進(jìn)行控制:即從對應(yīng)的傳感器獲取被控對象的信息,向?qū)?yīng)的執(zhí)行器發(fā)送控制指令,并與對應(yīng)的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

(3)映射表更新。當(dāng)控制器節(jié)點(diǎn)、傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器對應(yīng)關(guān)系發(fā)生變化時(shí),控制器節(jié)點(diǎn)向?qū)?yīng)的服務(wù)器讀取映射表并且實(shí)時(shí)進(jìn)行關(guān)系對比,如不相同,則該服務(wù)器申請動(dòng)態(tài)更新映射表,申請成功后便自動(dòng)寫入新的映射表,動(dòng)態(tài)更新后的映射表如表2所示。

表2 更新的映射表

1.3.2 冗余備份機(jī)制設(shè)計(jì)

在去中心化分布式控制系統(tǒng)中,根據(jù)映射表中的被控對象編號(hào)、控制器節(jié)點(diǎn)編號(hào)、傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)編號(hào)、被控對象節(jié)點(diǎn)編號(hào)及服務(wù)器編號(hào)找到在系統(tǒng)中的被控對象、控制器節(jié)點(diǎn)、傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、被控對象節(jié)點(diǎn)及服務(wù)器。控制器節(jié)點(diǎn)通過編號(hào)設(shè)置查找對應(yīng)的傳感器/執(zhí)行器、被控對象節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器。當(dāng)去中心化分布式控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí),如圖2實(shí)線所示。傳感器由時(shí)間驅(qū)動(dòng),控制器單元和執(zhí)行器由事件驅(qū)動(dòng),當(dāng)任務(wù)到時(shí)開始執(zhí)行,傳感器按時(shí)鐘周期采集被控對象的數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)送給控制器節(jié)點(diǎn),控制器節(jié)點(diǎn)按照相應(yīng)的控制算法計(jì)算控制量之后利用控制器節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)將控制量發(fā)送給執(zhí)行器。并且被控對象節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)都將被控量和控制量發(fā)送給對應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖2 冗余備份示意圖

由于系統(tǒng)有了網(wǎng)絡(luò)的引入不可避免會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)包丟失、網(wǎng)絡(luò)延時(shí)等問題,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),便會(huì)影響系統(tǒng)的安全性與可靠性。當(dāng)檢測到控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障會(huì)進(jìn)行自動(dòng)切換到冗余控制器節(jié)點(diǎn),切換后系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行,如圖2虛線所示。冗余備份接管機(jī)制分為3個(gè)階段。分別為:判斷節(jié)點(diǎn)失效階段、發(fā)送求助階段和接收求助階段。冗余備份接管機(jī)制概述為:

(1)判斷節(jié)點(diǎn)失效階段。在執(zhí)行器里面放入計(jì)時(shí)器,如接收對應(yīng)控制器節(jié)點(diǎn)傳來的控制量數(shù)據(jù)消息的時(shí)間等于或者大于設(shè)定的時(shí)間閾值,則判斷該控制器節(jié)點(diǎn)失效,無法實(shí)時(shí)控制現(xiàn)階段的被控對象。假設(shè)Cr控制器失效,并且該控制器與對應(yīng)的被控對象的關(guān)系為:

Cr=F(Or)=F(Pr1,Pr2,…,Prm)

(8)

假設(shè)未控制的被控對象為Prm,則Cr控制器減少被控對象節(jié)點(diǎn):

Cr=F(Or)=F(Pr1,Pr2,…,Pr(m-1))

(9)

(2)發(fā)送求助階段。當(dāng)執(zhí)行器判斷該控制器失效時(shí),由于一個(gè)被控對象的傳感器和執(zhí)行器在同一傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)里,因此,該執(zhí)行器向該被控對象對應(yīng)的傳感器發(fā)出求助消息。當(dāng)傳感器接收到求助消息時(shí),則把求助信息連同失控的被控對象編號(hào)以及傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)編號(hào)發(fā)送給下一個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)。

(3)接收求助階段。每個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)均設(shè)置接收被控對象數(shù)據(jù)的最大空間值,每次接收被控對象的數(shù)據(jù)之后該控制器節(jié)點(diǎn)剩下的空間值便會(huì)小一些,剩余的空間值便是冗余量。若該控制器的冗余量不足,則控制器把求助消息發(fā)送給目前冗余量最大、負(fù)載最小的控制器,以達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。用ah表示為尋求負(fù)載最小的表示值:

ah=min(1m1,2m2,…,nmn)

(10)

則未控制被控對象的Prm加入負(fù)載最小的控制器:

Prm=Pa(h+1)

(11)

則接收為控制的被控對象節(jié)點(diǎn)的控制器為:

Ca=F(Oa)=F(Pa1,Pa2,…,Pah,Pa(h+1))

(12)

接收求助消息的控制器節(jié)點(diǎn)需向初始求助信息發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送接受信號(hào),并且對現(xiàn)階段的被控對象進(jìn)行控制,而且動(dòng)態(tài)更新映射表。

2 數(shù)值仿真

2.1 仿真實(shí)例

為驗(yàn)證該去中心化分布式控制系統(tǒng)的有效性及正確性,利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)及Truetime2.0工具箱進(jìn)行現(xiàn)場層、控制層、管理層和控制網(wǎng)絡(luò)仿真?，F(xiàn)場層包含了10 000個(gè)被控對象,由于電機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域[11],具有響應(yīng)速度快、時(shí)間常數(shù)小等特點(diǎn),所以選擇電機(jī)作為去中心化分布式控制系統(tǒng)仿真的被控對象,其傳遞函數(shù)表達(dá)式如式(13)所示。

(13)

式中:s為拉式變換因子。

現(xiàn)場層中的100個(gè)被控對象單元根據(jù)預(yù)設(shè)映射表依次編號(hào),每個(gè)被控對象單元包含100個(gè)電機(jī)節(jié)點(diǎn),因此現(xiàn)場層共建立10 000個(gè)電機(jī)節(jié)點(diǎn)。

控制層中的100個(gè)控制器節(jié)點(diǎn)均采Truetime2.0內(nèi)核模塊構(gòu)建。由于PID控制算法為經(jīng)典算法且成熟,控制器單元采用常規(guī)的PID控制算法,傳遞函數(shù)如式(14)所示。

(14)

式中:s為拉式變換因子,kp、ki及kd為PID參數(shù)。管理層包含4個(gè)服務(wù)器和操作終端GUI,利用Truetime2.0中的網(wǎng)絡(luò)模塊來模擬控制網(wǎng)絡(luò),并且根據(jù)被控對象節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)在網(wǎng)絡(luò)模塊里構(gòu)建兩百個(gè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通道?？紤]到現(xiàn)實(shí)中的分布式控制系統(tǒng)避免不了白噪聲的干擾,所以在被控對象單元里加入隨機(jī)干擾模塊以及在系統(tǒng)回路中加入干擾器節(jié)點(diǎn)模塊,模擬白噪聲,加入濾波器,模擬采樣數(shù)據(jù)處理過程。

在該仿真平臺(tái)上驗(yàn)證分析冗余備份機(jī)制對系統(tǒng)平穩(wěn)性和可靠性的影響,并且在該基礎(chǔ)上驗(yàn)證網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)是否支持該系統(tǒng)對應(yīng)的電機(jī)規(guī)模。仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)仿真圖如圖3所示。

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)圖

2.2 測試冗余備份機(jī)制對系統(tǒng)的影響

隨著系統(tǒng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大,上百電機(jī)節(jié)點(diǎn)同時(shí)運(yùn)行,由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)較多,對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸通道的負(fù)荷較大。不可避免出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)失效的情況,此時(shí)冗余備份機(jī)制維持控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性起著重要的作用。通過模擬某一控制器節(jié)點(diǎn)失效來研究冗余備份機(jī)制對維持去中心化分布式控制系統(tǒng)的運(yùn)行平穩(wěn)的有效性。本文仿真實(shí)驗(yàn)的仿真參數(shù)為:網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率為800 Mbit/s,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為FDMA,每個(gè)節(jié)點(diǎn)帶寬分配設(shè)置為1,網(wǎng)絡(luò)丟包率設(shè)置為0,干擾方差設(shè)置為0.01時(shí),最小幀大小設(shè)置為60字節(jié),控制給定的跟蹤曲線r設(shè)置為幅值為1、周期為2的矩形波,被控對象結(jié)果輸出圖如圖4所示。該結(jié)果輸出圖是以被控對象單元里的一個(gè)被控對象的輸出為例。

圖4 冗余備份機(jī)制的結(jié)果輸出圖

從圖4可以看出,時(shí)間大約為第8 s時(shí)系統(tǒng)開始切換控制節(jié)點(diǎn),曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了控制節(jié)點(diǎn)快速切換后,曲線快速平穩(wěn)跟蹤對照曲線,說明冗余備份機(jī)制可以進(jìn)行有效地系統(tǒng)切換,從而維護(hù)去中心化分布式控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性。

2.3 測試網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)可支持的節(jié)點(diǎn)規(guī)模

由于系統(tǒng)網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模較大,容易造成信道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)擁擠甚至堵塞,然而數(shù)據(jù)的傳遞和信息的交互需要實(shí)時(shí)性,但同時(shí)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需要支持一定數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。故需要測試出合適的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量既能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性又能適用于大規(guī)模系統(tǒng)。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為FDMA,數(shù)據(jù)傳輸速度設(shè)置為800 Mbits/s,每個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬分配設(shè)置為1,網(wǎng)絡(luò)丟包率設(shè)置為0,干擾方差設(shè)置為0.01,最小幀長度設(shè)置為60字節(jié)。分別測試5組節(jié)點(diǎn)數(shù)目不同的架構(gòu),每組控制器節(jié)點(diǎn)和傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)相等。每組均需測網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的時(shí)間,該網(wǎng)絡(luò)時(shí)延是傳感器節(jié)點(diǎn)從發(fā)出消息到對應(yīng)的控制器節(jié)點(diǎn)收到對應(yīng)消息的時(shí)間。每組還需測網(wǎng)絡(luò)總通信量/帶寬使用的百分率,當(dāng)系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)都正常工作后,取一段時(shí)間,統(tǒng)計(jì)該時(shí)間段內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間之和,然后除以該段時(shí)間與所有節(jié)點(diǎn)數(shù)之積來得到使用百分率的計(jì)算,最后將計(jì)算值轉(zhuǎn)換為百分率,得到的結(jié)果如表3所示。

表3 通信量與節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的關(guān)系測試表

從表3中可以看出,節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增多,傳感器從發(fā)出消息到對應(yīng)控制器接收到對應(yīng)消息的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)呈增長趨勢。這是由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目的增多,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通道上的消息變多,而數(shù)據(jù)傳輸速率并沒有變快,所以網(wǎng)絡(luò)延時(shí)時(shí)間就越長。表中網(wǎng)絡(luò)總通信量/帶寬使用百分率隨著節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增多而變大,因節(jié)點(diǎn)消息任務(wù)變多,需要占用網(wǎng)絡(luò)通道傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)間變長。測試不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)總通信量/帶寬使用百分率,雖然數(shù)值都在變大,但可知最大規(guī)模時(shí),網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)總通信量/帶寬使用百分率均處于安全范圍,說明網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)可支持對應(yīng)的規(guī)模節(jié)點(diǎn),帶寬也可承載通信量要求。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了去中心化分布式控制系統(tǒng),該系統(tǒng)為三層一網(wǎng)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了層層去中心化。并且建立了映射表動(dòng)態(tài)更新機(jī)制和冗余備份機(jī)制,使系統(tǒng)具備冗余容錯(cuò)能力,降低了系統(tǒng)的故障發(fā)生率,增強(qiáng)了大型系統(tǒng)的可靠性與安全性。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性,利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)及Truetime2.0工具箱建立了去中心化分布式電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)。在該平臺(tái)上研究分析了冗余備份機(jī)制對系統(tǒng)性能的影響,并且測試驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的該種網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是否支持該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)規(guī)模。研究表明,當(dāng)系統(tǒng)的某一控制節(jié)點(diǎn)失效時(shí),冗余備份機(jī)制可對去中心化分布式控制系統(tǒng)中的失效節(jié)點(diǎn)進(jìn)行快速有效切換,切換為一個(gè)正常的控制節(jié)點(diǎn)保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定;當(dāng)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)規(guī)模為200個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí),網(wǎng)狀網(wǎng)架構(gòu)可支持該節(jié)點(diǎn)規(guī)模及上萬個(gè)電機(jī)正常運(yùn)行。