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1、毕业设计说明书英文文献及中文翻译学生姓名： 刘贺秋 学号：0906024236学 院：电子与计算机科学技术学院专 业：微电子学指导教师：张晓明2013年6月多平台的一体化一基于模型的实时远程状态监测摘要基于模型的状态监测系统在过程状态监测中已经被证实表现优越。然而，基 于模型的状态监测系统需要更多的计算机资源来支持它的高效率工作。这个要求 增加了已经存在的专门用来服务控制系统集成的难度。为了克服这个问题，这篇 文章展示了一种多系统集成，实现配备不同软件平台的不同计算机分开工作。本 地和远程设备的时间同步通过发布-预定构架的现场总线网络来实现。一种客户 服务器配置用来处理Mat lab和Labw
2、indows之间的通信。一种临时缓冲数据在 利用非常小的系统资源下提供时间准确性，这项尝试已经在电液伺服控制系统中 实现，充分利用了所有软件资源和配置系统的方便。关键字：远程状态监测，基于模型的方法，实时系统，现场总线，控制系统，分 布式监测1. 介绍经过了几十年的发展，基于模型的方法在一系列控制系统的状态监测非常有 效。通过查询模型预测，这种方法对于异常行为非常敏感，而不是系统输入，因 此提供了区分在操作系统中错误和可接受的波动的区别口。这个方法不仅可以 检测到系统错误，如驱动器错误和组件错误，而且可以检测到传感器错误。它被 广泛应用在各种工业领域，包括发电厂，飞行器发动机囹和机车系统。已经
3、发布的应用程序为基于模型的方法、模型准确性和残余鲁棒性提供了途 径I*。然而，对于一些现实的问题，如实时执行特别是高级软件包的使用。这 种环境的原因包括源于数据传播过程中的资源冲突或不确定时间延迟叫2。事实 上，这些现实问题有时在一个合适的监测系方法选择上是起决定性的作用的。比 如，当一个系统由计算机控制，它会优先选择在同一台计算机将基于模型的方法 和控制工作结合。然而，这种结合会被一些普通状态限制。有时，没有供应方的 帮助，控制程序就不能被改变，或者它的变化受繁杂的安全程序要求控制。甚至 当控制器允许集成，CPU加载必须换取其他工作的控制使用。在一个实时控 制系统的CPU必须读取传感器测量值
4、并执行，然后向周期间隔工作的执行器发 送信号14。如果一个复杂的故障诊断算法被使用而且CPU被模型预测和故障分 析占用，控制命令也许会被延迟发送，控制精度最后也会被影响。特别是在非线 性条件下的进程中需要大量的计算，不仅仅是为了计算，更是为了故障分析。然 而在某种程度上，这些目标寻址直接编码到实时操作系统。当在最低水平时设计 和实现一个系统，这种方法需要承受专业代码的压力和极高的错误检查能力。解决以上问题的一个直接方式就是用另一台配备合适的计算机，这台计算机 在远程与主机并行，协调工作。这样控制工作就会保持不被干扰，而且状态监测 工作被另一个计算机的CPU分担。通过远程获取和网络传播建立数据库
5、，而不 是实时建立16。不同的网络，如现场总线11,以太网，互联网17, CAN总 线切都是为了实现这个目的。尽管实时计算和通信技术得到很大的发展3,但 还没有基于模型的远程状态监测的实时执行。这就是写这篇文章的目的。在这篇文章中，配备先进工具箱的Matlab平台用于数据处理和错误诊断， 同时虚拟仪器平台Labwindows/CVI用于数据采集和过程控制。通过现场总线网 络通信，一个基于模型的实时远程状态监测原理图使用多平台方法。首先，讨论 基于在线模型的要求和分析硬件资源限制。其次，重视同步需要分析实时预测和 远程模型预测之间的残差的产生。为了满足这些需要，比较不同的现场总线网络 和选择现场
6、总线协议实现多平台。最后，为了证明这个方法，既采用控制和测试 程序本地运行，又采用基于模型残差产生和非线性电液伺服控制系统的状态监测 下的远程同步。2. 集成和同步2.1用于集成的资源制约通常在实时计算机系统I中，计算机周期性收集传感器测试结果，通过然 后事先设计好的信号处理(SP)和控制算法(Ctr)将控制信号发送到执行器。执行过 程如图1(a),时间顺序如图1(b)o由于每个环节都是基于上一环节，所以执行顺 序必须是连续的，整个控制循环就是所有环节执行时间的总和。为了提供空闲时 间(SP)执行额外的环节，计算机资源总是足够丰富。如果模型预测(MP)和状态监 测(CM)算法满足必要的计算状态
7、，从而计算时间和周期和比率比任何一个环节 都小，所有比率的和也比任何一个周期内的小。然而，模型预测、残差产生和和 先进状态监测技术需要很长的执行时间。由于需要加载具有强大数据处理能力的 工具箱，Matlab的使用经常导致执行时间更长。最重要的是，残差的产生要求测 量的同步和模型预测。这就意味着在控制环节中模型预测和残差产生不能设置成低优先级。最后，如果监控时间过长（也许无法预测），整个循环周期被延长，控 制精度会被影响。这种情况被定义为资源危机，如图2。(a)STE ST |1 Ctr1 11 SP |1 SP |M1(b) 9Time图1实时计算机控制：（a）控制顺序（b）时间表Confli
8、ct图2集成控制和检测时间表2.2同步要求就像上面谈到的一样，远程状态监控提供更多的计算资源，并在不同的计算 机上执行。两台计算机之间通过通信网络连接，如图3（a）所示。在本地控制机上, 执行控制和测量环节保证达到控制精度的严格时间周期。进行测试后反馈到控制 算法，同时测试数据被上传到现场总线，传播到远程计算机。然后远程计算机处 理数据并将其与模型预测结果比较产生状态监控的残差信号。图3（b）是利用远程安排克服图2中的危机的时间表。本地计算机保证实时控 制和测量，只利用一小部分时间进行数据传输。在另一端，远程计算机只进行状态监测循环，其中包括模型预测和基于模型监测的基本工作，并且进行一些额外
9、的工作，如显示和数据存储。因为二者是并行工作的，不会产生资源危机。不仅 如此，二者的合作可以实现在不同的情况中实现不同的同步。Receive dataModel prediction；Display N - qResidual generation:Save results !Condition monitoringCO_3S 号一t Control & measurement cycleST-.I Ctr |I SP |MP |I CM, | CM periodCM cyclet oLocal stationRemote stationLocal control stationOther l
10、ocal devices*Fieldbus network_n_图3基于模型的实时远程状态监控：(a)站和时间点的数据流(b)CM周期少于控制周期(c)CM周期大于控制周期如果状态监测周期比控制和测量周期短，如图3(b)所示，每个测量点可以被 发送到远程计算机,本地测量和远程残差产生可以点对点同步。在另一些情况中， 如图3(c),监控周期比控制和测量周期短。这里点对点同步是不可能的，取而代 之的是实现信息包同步处理信息通讯节点。3. 数据通信3.1利用现场总线进行数据传输研究表明远程残差产生不仅依赖于本地控制和远程监测，还依赖于数据传输 的质量，包括点对点和鲁棒性。尽管临时缓冲数据能够提供时间
11、延时的部分补偿, 还必须严格要求时间传输来减少数据传输的不确定性。另一方面，为了保证数据 传输中不发生混乱，传播网络的鲁棒性应该要尽可能好。众所周知，由于比传统 电缆通信具有更少的噪声，数字量传输具有更好的鲁棒性。因此，这次研究采用 现场总线网络。现场总线网络是专门为严格的、鲁棒性要求高的数据传输设计的，并且被广 泛的应用到了各种工业应用的的数据传输中。使用频率高的现场总线包括 WorldFipUi】、Profibus的、CANbus18 Earthnet等等。每个被提出的网络取决 于自动化系统制造商并要求其不同的应用需要。WorldFip是唯一一个可以服 从国际IEC现场总线标准和欧洲标准(
12、EN 50170/3和EN 50254/3)。它使用一个特 殊的协议允许利用时间变量建立传播，这种变量包含数据值和无时间信息。根据 托瓦尔和他的同事性能分析1122,WorldFIP现场总线是很容易能够保证周期传输 的实时要求，虽然可能会遇到一些困难非周期性传输的情况。它特别适合用于在 分布式计算机控制的系统，用于实时通信2%在此应用中，只需要周期传输的 数据通信。因此，在本研究中选择建立基于模型的实时远程方法。3.2发布/接收和客户机/服务器架构组合一个发布服务器和接收服务器架构23,用于在本地计算机和远程之间的通 信。如图4所示。在本地计算机上，来自传感器收的数据通过DAQ设备采 集。只要
13、数据可以获取的情况下，他们将立即被发布到网络。特殊的ID将给予 不同的变量。的另一端上，特殊设计的远程计算机对具有专门ID的信息很敏感。 数据从网络中被获取后，它们将被存储到一个小的缓冲区作为服务器的数据处理 任务。由于没有发送消息返回给发布者，通信流仅是阶段性的。通过WorldFip 协议，两者之间的同步很容易得到保证。发布服务器和订阅服务器都LabWindows /CVIT的相同环境。Labwindows/C VIData collection Publisher PublisherSave dataDisplayDAQEll system图4数据结构框架Model-based condi
14、tion monitoring为了获得先进的信号处理功能和有优越的的监测结果，选择具有强大信号处 理工具箱的Matlab软件进行数据处理和故障检测工作。由于的网络流量的速度 与Matlab进程不同，设计一种远程客户端/服务器上述要求。如图4所示。在 LabWindows/CVI下设计一个带有临时数据缓冲的服务器。接收端充当客户端1 发送数据到服务器。在同一时间，服务器响应从客户端2读取数据，并在Matlab 环境下工作进行数据处理，模型仿真和基于模型的条件监控。同样在Matlab环 境下，通过一个图形用户界面显示的监控信号并保存。测量数据从本地站传送，在远程计算机点对点从服务器缓冲区中下载。因
15、为 一个监测周期期间长于控制和测量周期，所以不可能从客户端2点对点读取数 据。为了同步这些不同的节奏的周期，从包含数据的数据包几个时间样本在同一 时间请求从服务器。因为数据包中的每个数据点具有一时间戳记，未残差产生可 以进行同步测量和模型预测。数据包内的数据点数目取决于两者之间的时间差。 当数据包的数据是从服务器输出后，服务器将立即更新其缓冲区。为防止缺乏数 据取或服务器缓冲区溢出，监测周期必须是控制周期整数倍。除了快速控制、测量和基于模型的状态监测周期的无缝同步，这样的组合还 有其他的优点。首先，在某种程度上移动平均滤波器应用到一些样品的数据可以 用来减轻随机噪声。其次，由于缓冲区只保存用自己的时间戳的值数据，而不是 到达的时间，包内数据可以补偿不确定的时间延迟，甚至增加抖动。此外，该体 系的设计，可根据系统的复杂性和所使用的诊断技术调节监测周期。如果状态监 测或数据保存是必要的，残差产生过程可以被暂停，而控制任务独立运行。3.3 LabWindows/ CVI和Matlab之间的动态数据交换如图4所示，两个客户端工作在不同的环境：LabWindows/ CVI和Matlab。 显然，需要Matlab和LabWindows/CVI的通信从而使他们正常工作。两个数据 交换系
