一種多個控制器之間協(xié)同工作的優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種優(yōu)化多通道控制系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)同工作機制的方法，主要應(yīng)用于由多個控制器或者通道組成的控制系統(tǒng)。具體方法主要包括：對多個通道的CPU的運行周期進行有序排列，每個通道具有均等的最先采集到信號跳變的概率；通過調(diào)整CPU周期的長度來控制CPU計算負荷，使得周期排列在后面的通道，在觸發(fā)信號產(chǎn)生后的第一個周期開始時，能夠同時采集到觸發(fā)信號和第一個接收到觸發(fā)信號的通道發(fā)出的邏輯判斷信號；將輸入信號調(diào)整分配，使每個通道都能直接采集輸入信號；優(yōu)化綜合邏輯判斷，避免同源頭的信號被重復(fù)使用。本發(fā)明可以減少多個控制器組成的控制系統(tǒng)，在受到觸發(fā)信號后各個通道運算的周期數(shù)量，減少了響應(yīng)時間。
【專利說明】—種多個控制器之間協(xié)同工作的優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于自動控制技術(shù)，具體涉及多通道自動控制系統(tǒng)的集成技術(shù)和控制算法技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的多通道控制系統(tǒng)的多個控制器之間協(xié)同工作的方式是，多個通道同時采集信號，每個通道都對外輸出一個跳車信號，外部會有單獨的跳車判斷裝置，進行邏輯判斷。當多個通道輸出跳車信號，符合外部跳車判斷裝置的邏輯后，產(chǎn)生跳車的效果。以4個通道的情況為例:
[0003]每個通道實際是一個獨立的控制器，以固定運算周期運行，具有獨立的采集、輸出和運算等功能。4個通道之間相互通訊，組成一個控制系統(tǒng)。各個通道之間采用即時的通訊方式，將所需的控制信號傳輸給其它通道，通訊消耗的時間很短。為了方便分析，通訊消耗的時間計入運算周期中輸出階段的時間?？梢院唵蔚睦斫鉃椋渲幸粋€通道輸出完畢，其它通道就已經(jīng)接受到了傳輸信號，但是需要等到CPU周期進行到信號采集環(huán)節(jié)時才能夠開始進行邏輯運算。4個通道之間通訊聯(lián)系，參見圖1所示。圖1中實線箭頭代表各通道之間通訊連接，虛線箭頭代表跳車信號。
[0004]每個通道都會輸出一個跳車信號給外部判斷裝置，在此稱為跳車裝置。由跳車裝置最終產(chǎn)生跳車的動作。跳車裝置產(chǎn)生動作的條件是在同一個時間點，4個通道中有2個通道發(fā)出跳車信號。因此控制系統(tǒng)實際產(chǎn)生有效的跳車信號的條件是有2個通道發(fā)出跳車信號。
[0005]多通道控制系統(tǒng)的多個控制器之間協(xié)同工作的方式是，有多個傳感器同時探測同一個物理量(如溫度，)，假設(shè)有4個傳感器編號為a、b、C、d，假設(shè)這四個傳感器探測到相同的并且同時探測到溫度的變化。4個傳感器對應(yīng)4個處理的CPU，每個CPU成為一個通道叫做通道I，通道II，通道III，通道IV。參見圖2所示。
[0006]每個通道對于信號的運算方式為:首先，對于采集的傳感器信號進行閾值判斷；然后，結(jié)合收到的其它通道的判斷信號進行綜合邏輯判斷；最后，將本通道的閾值判斷結(jié)果輸出給其它通道，同時輸出本通道的跳車信號。參見圖3所示。
[0007]在對多通道進行響應(yīng)時間分析時，一般都是取在可能范圍內(nèi)，最大的響應(yīng)時間，簡而言之就是取最壞的情況。以4個通道的情況為例，分析目前技術(shù)的缺點:
[0008]1、4個通道的CPU的周期起始點是隨機排列的，在固定周期的工作方式下，每個周期開始的時間，直接影響通道對于信號采集的時間(由于輸入信號都是反映同一個物理量，因此假設(shè)信號都是在同一時間點發(fā)生跳變)。即周期開始的時間距離信號發(fā)生的時間越近，越是能夠提早采集到信號，并開始邏輯運算。假設(shè)I通道周期開始就在信號觸發(fā)之后，而其它I1、II1、IV通道的周期，都是在I通道輸出之前(如圖4中所示)。此種情況為采集、處理信號耗時最長的情況。則距離最終4通道至少有2個輸出跳車信號需要3個周期的時間。信號觸發(fā)的時間如果向前移動0.25個周期，其效果也同樣如此。因此，從信號觸發(fā)到最終的跳車信號輸出，整個控制系統(tǒng)的最大響應(yīng)時間為2.75個周期。
[0009]2、多通道控制系統(tǒng)的輸入信號的個數(shù)在一些工況時有可能少于通道的個數(shù)。有的工況，可能輸入信號的個數(shù)為3個或者2個。這樣必然會有I個(3個信號的情況)或2個(2個信號的情況)通道沒有采集到這種情況下的信號，使得第一個采集到信號跳變的通道的位置可能在最后，整個控制系統(tǒng)可能在信號發(fā)生跳變后I個周期才采集到跳變信息，不利于提高響應(yīng)的速度。并且，當采集信號的通道發(fā)生故障(如CPU故障、內(nèi)存故障)時，將直接減少整個系統(tǒng)對于信號的采集。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明專利的目的是提供一種多個控制器之間協(xié)同工作的優(yōu)化方法，從而減小了由多個控制器組成的控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，提高了整個控制系統(tǒng)的性能。
[0011]為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0012]一種多個控制器之間協(xié)同工作的優(yōu)化方法,在多個傳感器同時探測同一個物理量時，每個傳感器將檢測到的信號傳給對應(yīng)的一個控制裝置；所述每一個控制器稱為一個通道，各個通道相互獨立，相互通訊；每個通道包括具有獨立的信號采集部件、信號輸出部件、中央處理器和通訊部件；中央處理器也稱為CPU或MPU，具有固定的運算周期，每個周期中執(zhí)行功能的順序是固定的；每個通道接受的傳感器信號經(jīng)過閾值判斷后生成本通道的邏輯判斷信號；每個通道都接受其他通道傳來的邏輯判斷信號；本通道的邏輯判斷信號與其它通道的邏輯判斷信號經(jīng)過綜合邏輯判斷，輸出跳車信號；對多個通道的CPU的運行周期進行有序排列，使各個通道之間形成一種協(xié)同工作機制，具體步驟如下:
[0013]I)、對多個通道CPU的運行周期進行有序排列，每個通道相對于其它通道，在每個周期內(nèi)具有均等的最先采集到信號跳變的概率；
[0014]2)、通過調(diào)整CPU周期的長度來控制CPU計算負荷，即調(diào)整CPU的每一個周期中，從開始采集到輸出完成的時間與CPU周期的比值，使得周期排列在后面的通道，在觸發(fā)信號產(chǎn)生后的第一個周期開始時，能夠同時采集到觸發(fā)信號和第一個接收到觸發(fā)信號的通道發(fā)出的邏輯判斷信號；
[0015]3)、當某一工況需要判斷的信號數(shù)量比通道數(shù)量少時，將其中的部分信號轉(zhuǎn)化成多個信號，分給原來沒有被分配的通道，保證每個通道都有來自傳感器的信號；
[0016]4)、每個通道的CPU進行邏輯運算的順序是:
[0017]④對采集到的傳感器信號，進行閾值判斷；
[0018]⑤結(jié)合其它通道的判斷信號進行綜合邏輯判斷，產(chǎn)生跳車信號；
[0019]⑥向跳車裝置輸出本通道的跳車信號，向其它通道輸出本通道的傳感器閾值判斷信號;
[0020]④在傳感器信號與通道數(shù)量相同的情況下，進行綜合邏輯判斷時，采用全部其它通道的判斷信號；在信號數(shù)量比通道數(shù)量少的情況下，采集轉(zhuǎn)化信號的通道進行綜合邏輯判斷時，傳感器信號來自同一源頭的判斷信號，在進行綜合邏輯判斷時只采用一次。
[0021]本發(fā)明具有的優(yōu)點是:
[0022]1、提供了一種多個控制器(或者CPU)協(xié)同工作的工作機制和工作方法。具有高可靠性、高冗余性和高效性的協(xié)同工作機制。控制器能夠更早的采集到傳感器跳變信號和其它通道的邏輯判斷信號，減少運算的周期，最終使得計算結(jié)果的輸出提前，減少了響應(yīng)時間；
[0023]2、在工程實際中，提供了一種方法，使得響應(yīng)時間，CPU負荷和CPU周期三者之間有可能實現(xiàn)性能最佳的組合。
[0024]3、優(yōu)化了在多個控制器(或者CPU)協(xié)同工作的情況下，每個控制器內(nèi)部的邏輯運算順序和運算規(guī)則；
[0025]4、通過將采集的信號轉(zhuǎn)化和分配，增加了能夠采集到傳感器信號的通道個數(shù)，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是傳統(tǒng)的多通道控制系統(tǒng)組成框圖。
[0027]箭頭方向表示了各個通道之間網(wǎng)絡(luò)信號傳輸?shù)姆较?。每個通道都有信號發(fā)給其它3個通道，也接受其它3個通道傳來的信號。信號傳輸所用的時間很短，為了方便分析，將傳輸所用的時間，計入CPU計算時間。跳車裝置接收各個通道發(fā)出的跳車信號，產(chǎn)生跳車動作。跳車裝置不屬于所描述的控制系統(tǒng)，為一個單獨裝置。
[0028]圖2表明了傳感器信號與通道的對應(yīng)關(guān)系。
[0029]圖3是本發(fā)明的運算順序和判斷邏輯示意圖。圖中說明了在每個通道內(nèi)，信號進行邏輯運算的流程。
[0030]圖4是傳統(tǒng)的多個處理器之間協(xié)同工作的周期示意圖。
[0031]圖5是4個通道，并且CPU計算負荷比較大(< 75%，> 50%)的情況下，多個通道協(xié)同工作周期排序示意圖。
[0032]圖6是4個通道，并且CPU計算負荷相對較小(< 50%)的情況下，多個通道協(xié)同工作周期排序示意圖。
[0033]圖7是3個通道，協(xié)同工作周期排序示意圖。
[0034]圖8是當傳感器數(shù)量少于通道數(shù)量時，信號分配的示意圖。
[0035]圖9是4個通道、3個傳感器的情況下，運算順序和判斷邏輯示意圖。傳感器信號來自同一源頭的判斷信號，在進行綜合邏輯判斷時只采用一次。因此進行通道III和通道IV的傳感器信號來自同一源頭。在進行邏輯判斷時，不采用通道IV的判斷結(jié)果，輸出判斷結(jié)果時，也不輸出給通道IV。
[0036]圖10是4個通道、2個傳感器的情況下，運算順序和判斷邏輯示意圖。傳感器信號來自同一源頭的判斷信號，在進行綜合邏輯判斷時只采用一次。因此進行通道II和通道III的判斷信號，在輸出判斷結(jié)果時，通道II與通道I是同一信號源，不必輸出給通道I。
【具體實施方式】
[0037]本發(fā)明適用于由多個通道組成的控制系統(tǒng)，通過調(diào)整每個通道的CPU計算負荷，對多個通道CPU的運行周期進行有序排列，使各個通道之間形成一種優(yōu)化的協(xié)同工作機制。觸發(fā)信號的產(chǎn)生是隨機的，由于各個通道CPU周期相同，因此在I個周期的時間內(nèi)，在整個多通道控制系統(tǒng)會有和通道數(shù)量相同的采集次數(shù)。每個通道都有可能最先采集到觸發(fā)信號的產(chǎn)生，在對通道CPU進行排序時，使得每個通道最先采集到觸發(fā)信號的概率相同。排序的方式有多種，根據(jù)通道數(shù)量和CPU計算負荷的不同而變化，并且可以有多個通道同時最先采集到觸發(fā)信號。
[0038]同種型號CPU，相同的計算量使用的時間相同。變化CPU周期的時間長度，CPU計算負荷也跟隨變化。通過調(diào)整CPU周期的時間長度來控制CPU計算負荷的大小。結(jié)合上述第I條，使得周期排列在后面的通道，在觸發(fā)信號產(chǎn)生后的第一個周期開始時，能夠同時采集到觸發(fā)信號和第一個接收到觸發(fā)信號的通道發(fā)出的邏輯判斷信號。因此，這個通道在第一個周期就可以輸出本通道的跳車信號。
[0039]當出現(xiàn)傳感器數(shù)量少于通道數(shù)時，將其中的部分傳感器信號通過電路轉(zhuǎn)化成多個信號，分給原來沒有被分配的通道，保證每個通道都有來自傳感器的信號。并且在算法上調(diào)整邏輯運算的方式，使得優(yōu)化的協(xié)同工作機制在各種情況下都能夠發(fā)揮作用。
[0040]以4個通道的情況為例，其具體的工作原理和實施方式如下:
[0041]多通道控制系統(tǒng)中，每個通道實際是一個獨立的控制器，CPU以固定運算周期運行，具有獨立的采集、輸出和運算等功能。4個通道之間相互通訊，組成一個控制系統(tǒng)。各個通道之間采用即時的通訊方式，將所需的控制信號傳輸給其它通道，通訊消耗的時間很短。為了方便分析，通訊消耗的時間計入運算周期中輸出階段的時間?？梢院唵蔚睦斫鉃?，其中一個通道輸出完畢，其它通道就已經(jīng)接受到了傳輸信號，但是需要等到CPU周期進行到信號采集環(huán)節(jié)時才能夠開始進行邏輯運算。4個通道之間通訊聯(lián)系，參見圖1所示。
[0042]每個通道都會輸出一個跳車信號給外部判斷裝置，在此稱為跳車裝置。由跳車裝置最終產(chǎn)生跳車的動作。跳車裝置產(chǎn)生動作的條件是在同一個時間點，4個通道中有2個通道發(fā)出跳車信號。因此控制系統(tǒng)實際產(chǎn)生有效的跳車信號的條件是有2個通道發(fā)出跳車信號。
[0043]在實際工程實施中，一般有多個傳感器同時探測同一個物理量(如溫度，)，假設(shè)有4個傳感器編號為a、b、c、d，假設(shè)這四個傳感器探測到相同的并且同時探測到溫度的變化。4個傳感器對應(yīng)4個處理的CPU，每個CPU成為一個通道叫做通道I，通道11，通道III，通道
IV。參見圖2所示。當這些信號產(chǎn)生某些特定的跳變或者達到某些特定值時，采集這些信號的通道會產(chǎn)生并輸出跳車信號。
[0044]導(dǎo)致跳車信號產(chǎn)生的信號可能會有多種，檢測這些信號的傳感器的數(shù)量，不一定與通道的數(shù)量一致。例如，有4個通道，可能有4個傳感器同時測量某一部位的溫度信號，可能有3個傳感器測量同一個部位的壓力，可能有2個傳感器測量同一個部位的水位等等。
[0045]當某一工況需要判斷的傳感器信號個數(shù)少于通道的個數(shù)時，將其中的部分信號通過電路轉(zhuǎn)化成多個信號，分給原來沒有被分配的通道，保證每個通道都有來自傳感器的信號。由于信號在轉(zhuǎn)化為兩個信號時沒有通過CPU的運算，因此延誤的時間忽略不計。如圖8所示。
[0046]每個通道采集并且運算處理來自傳感器的信號和其他通道傳來的判斷信號，輸出本通道的判斷信號和跳車信號。進行運算時的順序為:
[0047]第一步，進行傳感器信號的閾值判斷；
[0048]第二步，根據(jù)閾值判斷產(chǎn)生的本通道判斷信號和其它通道傳來的判斷信號進行綜合邏輯判斷；
[0049]第三步，輸出本通道判斷信號和跳車信號。[0050]對于傳感器信號個數(shù)少于通道個數(shù)的情況，來自同一源頭(傳感器)的判斷信號，在第二步進行綜合邏輯判斷時只采用一次。
[0051]當3個傳感器的信號分配給4個通道時，假定信號分配形式如圖8中所示，則判斷邏輯需調(diào)整為如圖9所示。其中，通道I和通道II的邏輯形式上基本相同，只是通道號I或者II進行相應(yīng)的替換。通道III和通道IV的邏輯形式上基本相同，也是通道號III或者IV進行相應(yīng)的替換。
[0052]當2個傳感器的信號分配給4個通道時，信號分配形式如圖8中所示，判斷邏輯如圖10所示。其中通道IV與通道III的邏輯類似，只是通道號III或者IV進行相應(yīng)的替換。傳感器信號來自同一源頭的判斷信號，在進行綜合邏輯判斷時只采用一次，因此進行通道II和通道III的判斷信號，在輸出判斷結(jié)果時，通道II與通道I是同一信號源，不必輸出給通道I。
[0053]當各個通道的邏輯根據(jù)實際工程的要求和上述的信號分配處理原則確定后，其CPU的計算負荷也基本確定。根據(jù)其計算負荷的大小，將多個通道CPU運算周期的起點進行排列，從而形成一種協(xié)同工作的機制。在對通道CPU運算周期排序時，按照下面2點原則:
[0054]①每個通道相對于其它通道，在每個周期內(nèi)具有均等的最先采集到信號跳變的概率；
[0055]②使得周期排列在后面的通道，在觸發(fā)信號產(chǎn)生后的第一個周期開始時，能夠同時采集到觸發(fā)信號和第一個接收到觸發(fā)信號的通道發(fā)出的邏輯判斷信號。
[0056]在實際實施過程中排列的順序可以有多種，可以通過改變CPU周期時間的方法來改變CPU計算負荷，這樣可以方便的找到最佳的排列方案。如按照通道的個數(shù)均勻排列，4個通道每個之間間隔1/4個周期，如圖5所示；或者4個通道，2個一組，間隔1/2個周期，如圖6所示。圖6所示2個通道能夠同時最先采集到觸發(fā)信號，每個通道最先采集到觸發(fā)信號的概率為50%。圖5顯示了另一種4個通道的情況，每個通道最先采集到觸發(fā)信號的概率為25%。
[0057]通過不同的排列方式，結(jié)合通道的CPU計算負荷，達到各個通道之間最佳的協(xié)同工作方式。排列在最后的通道在第一個周期就可以輸出本通道的跳車信號，整個系統(tǒng)產(chǎn)生有效跳車信號的響應(yīng)時間也會減少。
[0058]舉例1:4個通道的情況，CPU的計算負荷在周期為40ms時為75%，即CPU每個周期需要計算30ms。若將CPU周期改為60ms，CPU計算負荷為50%，則可以采用圖6所示的排列方法。在后面的2個通道，在采集到觸發(fā)信號的同時也采集到前面2個通道的邏輯判斷信號，因此在第一個周期就可以發(fā)出跳車信號。跳車裝置受到2個通道的跳車信號后，引起跳車裝置動作。由此可以看出，此種實施方式，可以在第一個周期就能引起跳車，信號在第一個周期之前的0.5個周期內(nèi)產(chǎn)生，效果相同。如果以通道運算周期來計算最大響應(yīng)時間，可以認為最大的影響時間為1.5個周期，即90ms。
[0059]舉例2:3個通道情況，CPU的計算負荷在周期為40ms時為75%，即CPU每個周期需要計算30ms。CPU計算負荷過高，影響最終響應(yīng)時間。若將周期改為50ms，CPU計算負荷為60%，則可以采用圖7所示的排列方法。
[0060]本發(fā)明主要應(yīng)用于核電DCS行業(yè)，可以擴展應(yīng)用于自動控制、航空航天、電力、電子、石油化工等。
【權(quán)利要求】
1.一種多個控制器之間協(xié)同工作的優(yōu)化方法，在多個傳感器同時探測同一個物理量時，每個傳感器將檢測到的信號傳給對應(yīng)的一個控制裝置；所述每一個控制器稱為一個通道，各個通道相互獨立，相互通訊；每個通道包括具有獨立的信號采集部件、信號輸出部件、中央處理器和通訊部件；中央處理器也稱為CPU或MPU，具有固定的運算周期，每個周期中執(zhí)行功能的順序是固定的；每個通道接受的傳感器信號經(jīng)過閾值判斷后生成本通道的邏輯判斷信號；每個通道都接受其他通道傳來的邏輯判斷信號；本通道的邏輯判斷信號與其它通道的邏輯判斷信號經(jīng)過綜合邏輯判斷，輸出跳車信號；對多個通道的CPU的運行周期進行有序排列，使各個通道之間形成一種協(xié)同工作機制，具體步驟如下: 1)、對多個通道CPU的運行周期進行有序排列，每個通道相對于其它通道，在每個周期內(nèi)具有均等的最先采集到信號跳變的概率； 2)、通過調(diào)整CPU周期的長度來控制CPU計算負荷，即調(diào)整CPU的每一個周期中，從開始采集到輸出完成的時間與CPU周期的比值，使得周期排列在后面的通道，在觸發(fā)信號產(chǎn)生后的第一個周期開始時，能夠同時采集到觸發(fā)信號和第一個接收到觸發(fā)信號的通道發(fā)出的邏輯判斷信號； 3)、當某一工況需要判斷的信號數(shù)量比通道數(shù)量少時，將其中的部分信號轉(zhuǎn)化成多個信號，分給原來沒有被分配的通道，保證每個通道都有來自傳感器的信號； 4)、每個通道的CPU進行邏輯運算的順序是: ①對采集到的傳感器信號，進行閾值判斷； ②結(jié)合其它通道的判斷信號進行綜合邏輯判斷，產(chǎn)生跳車信號； ③向跳車裝置輸出本通道的跳車信號，向其它通道輸出本通道的傳感器閾值判斷信號; ④在傳感器信號與通道數(shù)量相同的情況下，進行綜合邏輯判斷時，采用全部其它通道的判斷信號；在信號數(shù)量比通道數(shù)量少的情況下，采集轉(zhuǎn)化信號的通道進行綜合邏輯判斷時，傳感器信號來自同一源頭的判斷信號，在進行綜合邏輯判斷時只采用一次。
【文檔編號】G05B19/418GK103472804SQ201310421980
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月16日
【發(fā)明者】楊爽 申請人:楊惠芳