CN101324791A

CN101324791A - 分布式控制系统

Info

Publication number: CN101324791A
Application number: CNA2007101437472A
Authority: CN
Inventors: 金·詹森
Original assignee: MAN B&W Diesel AS
Current assignee: MAN Energy Solutions Filial af MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2007-08-02
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2027-08-02
Also published as: JP2009025849A; JP4629702B2; KR100916193B1; KR20080110438A; CN101324791B

Abstract

一种控制系统(20)，包括第一处理器(21a)、第二处理器(21b)，在第一处理器上运行的第一控制算法(54)和在第二处理器上运行的第二控制算法(55)，其中，控制设备进一步包括第三控制算法(57)，所述第三控制算法包括许多在第一处理器上和在第二处理器上顺序地运行的连续步骤。如此，可以减少系统中的处理器的数量。

Description

分布式控制系统

技术领域

本发明涉及控制系统，该系统包括第一处理器、第二处理器，用于在第一处理器上运行的第一控制算法和用于在第二处理器上运行的第二控制算法。

这种控制系统通常被分类为“分布式控制系统”。分布式控制用于其中控制功能可以在不同的处理器之间分布的系统中。这与其中只有单一处理器来控制待控制的系统的所有功能的“集中控制系统”相对。分布式控制有时也叫做“分散控制”，与“集中控制”相对。

背景技术

在最常见的分布式控制系统中，体系结构的基础是控制全过程的中央控制器和控制全过程的子任务的许多子控制器。例如，在机器人中，中央控制器将协调机器人的整体运动，联合控制器将控制单个关节的运动。中央控制器将计算每一个关节的所需的运动，并将此参考值转发到单独的关节控制器，这些关节控制器将尽可能地准确地遵循参考轨迹。

分布式控制系统的已知应用的另一个示例是用于控制轮船中的大型柴油发动机的操作的系统。在此示例中，中央控制器控制整个发动机的处理，例如，发动机的转速，发动机的功率输出，等等。单独的“汽缸控制单元”控制每一个单个汽缸的操作，例如，喷油，排气阀打开和关闭等等。中央控制器计算每一个单个汽缸应该如何运转，以便实现所需的总结果。因此，中央控制器向每一个汽缸控制单元发送参考命令。然后，单个汽缸控制单元控制汽缸的具体操作，以便实现参考命令。

典型系统的缺点之一是，一个处理器需要用于每一个子任务，以及至少一个处理器需要用于中央控制功能。因此，如果需要控制具有12个汽缸的大型柴油发动机，则通常需要12+1个处理器。在某些情况下，可以由一个处理器来对两个或更多汽缸进行控制，这就会减少处理器的总数。

典型的系统的另一个缺点是，如果中央处理器发生故障，则系统也非常容易发生故障。在诸如电机控制之类的关键应用中，需要设计具有一定量的冗余的系统。在大多数情况下，在两个单独的处理器中实现中央控制算法。监控例程监视两个处理器，在其中一个处理器发生故障的情况下，可以切换到另一个处理器。然而，处理冗余处理器并知道何时进行切换是相当复杂的。此外，对冗余处理器的需求进一步增大了所需的处理器的数量，还增大了系统中的通信路径的复杂性。

发明内容

因此，本发明的第一方面是提供减少了所需的处理器的数量的控制系统。

本发明的另一个方面是提供能够抵抗一个或多个处理器发生故障的控制系统。

本发明的另一个方面是提供能够以简单方式处理冗余的控制系统。

由控制系统部分地提供了上文所提及的方面，如在开头的段落中所提及的，该控制系统进一步包括第三控制算法，第三控制算法包括许多用于在第一处理器上和在第二处理器上顺序地运行的连续步骤。如此，第三控制算法可以在两个处理器之间分离，从而使两个处理器分担第三控制算法的负载。

应该提及的是，在本说明书的上下文中，“许多用于在第一处理器上和在第二处理器上顺序地运行的连续步骤”应该被理解为顺序地(也就是说，一个接一个地)运行的许多步骤。第一数量的步骤在第一处理器上运行，一旦第一处理器完成了第一数量的步骤，第二数量的步骤在第二处理器上运行。

也可以想象，第三控制算法包括作为重复的循环运行的控制算法。PI控制器是这种控制算法的好的示例。然后，可以分离第三控制算法的执行，以便循环的第一个实例在第一处理器上运行，循环的第二个实例在第二处理器上运行。然后，循环的第三个实例可以再次在第一处理器上运行或在第三处理器上运行。可以顺序地重复该过程。

在控制系统的实施例中，第一控制算法可以控制第一传动器，而第二控制算法可以控制第二传动器。

在控制系统的一个实施例中，第三控制算法可以向第一和第二控制算法提供参考值。如此，第三控制算法可以被视为一种协调第一和第二控制算法的活动的协调算法。

为了使处理器相互进行通信，控制系统可以进一步包括位于第一处理器和第二处理器之间的通信系统。通信系统可以例如用于传输由第三控制算法使用的数据。

控制系统也可以包括当第三控制算法从第一处理器切换到第二处理器时由通信系统在第一处理器和第二处理器之间传输的数据矢量。如此，当第三控制算法从一个处理器移到下一个处理器时，由第三控制算法使用的控制数据可以从一个处理器移到下一个处理器。

上文所描述的数据矢量可以例如包括当更新数据矢量时设置的时间戳或序列号。如此，控制算法可以判断最后一次数据矢量是何时更新的和/或最后一次哪一个处理器更新了数据矢量。

在一个实施例中，第三控制算法可以包括积分器，其积分值从第一处理器传输到第二处理器。如此，PI控制器例如可以在第三控制算法中实现，尽管它在多个处理器上共享。在一个实施例中，可以通过如上文所描述的数据矢量传输积分值。

在某些情况下，可以增益预定第三控制算法的控制器增益。这可以例如在采样时间不固定而是依赖于外部参数的情况下使用。在此情况下，增益预定可以取决于数据矢量上的时间戳和当前时间之间的时间间隔。

在控制系统的一个应用中，控制系统可以用于对活塞式发动机进行控制。第一控制算法可以控制第一发动机汽缸的操作，第二控制算法可以控制第二发动机汽缸的操作。第三控制算法可以进一步地控制发动机的转速和/或功率输出。

在上述实施例中，控制系统可以与发动机的旋转同步。在此情况下，可以取决于发动机的转速，进行增益预定。

在上述实施例中，取决于发动机的旋转，第三控制算法的执行可以在第一处理器和第二处理器之间切换。换句话说，可以响应发动机的旋转，第三控制算法从一个处理器移动到下一个处理器。如此，第三控制算法的采样时间取决于发动机的转速。

应该强调的是，此说明书中使用的术语“包括”用于规定声明的特点、整数、步骤或组件的存在，而不排除一个或多个其他特点、整数、步骤、组件或其组合的存在或添加。

例如，在权利要求1中，规定了控制系统包括三个控制算法和两个处理器。然而，那些本领域技术人员应该理解，权利要求1也覆盖了大于三个的任意数量的控制算法和大于两个的任意数量的处理器。

还应该指出，对于此说明书，术语“控制系统”应该被理解为包括许多连接在一起并以某一预先定义的方式运转和协调的物理组件的系统。假设物理组件可以是完全基于硬件的，也可以是用软件编程的。在后一种情况下，假设被编程到物理组件中的软件为物理组件的技术组件。

附图说明

下面，将参考所附的图形中所显示的实施例比较详细地描述本发明。应该强调的是，所显示的实施例只是示例，不应该限制本发明的范围。

图1显示了通常用于控制大型柴油发动机的采用现有技术的控制系统的示意图。

图2显示了根据应用于大型柴油发动机的本发明的控制系统的第一个实施例的示意图。

图3显示了包括四个处理器和四个控制算法的采用现有技术的控制系统的时间图的一个实施例。

图4显示了根据包括三个处理器和图3的相同的四个控制算法的本发明的系统的时间图的一个实施例。

图5显示了根据应用于以第一低转速工作的大型柴油发动机的本发明的控制系统的实施例的时间图。

图6显示了在第二较高的转速下图5的实施例的时间图。

具体实施方式

图1所示的现有技术的控制系统1是典型的分布式控制系统。在此示例中，系统适用于轮船(未显示)中的大型柴油发动机2。在此系统中，发动机2包括许多汽缸3a、3b、3c，它们中的每一个都由汽缸控制单元(CCU)4a、4b、4c进行控制。汽缸控制单元4对它们与连接的汽缸的喷油、排气、润滑等等进行控制。每一个CCU都连接到通信系统，在此示例中，通信系统是通信总线5。因此，CCU可以相互进行通信，并交换传感器信息，如当前技术中已知的。

单个CCU由叫做发动机控制单元(ECU)6的中央控制器进行协调。ECU计算单个CCU的参考值，并通过总线5将这些值发送到单个CCU。例如，ECU的其中一个典型的功能是控制发动机的速度。ECU通过总线5从轮船7的舵手接收速度需求信号。然后，ECU将速度需求信号与发动机的实际速度进行比较。发动机的实际速度是通过安装在发动机上的曲轴旋转传感器8测量的。曲轴旋转传感器通过总线向ECU发送测量的速度。基于实际速度和所需要的速度之间的差值，ECU判断单个汽缸应该提供多大功率。然后，ECU向每一个CCU发送参考信号。然后，单个CCU判断应该如何控制“它们的”汽缸。

在一个示例中，ECU中的速度控制算法可以以PI控制器为基础。所需要的速度和实际速度之间的误差越大，ECU让CCU喷射的燃料越多。实际喷油和喷油的形式是由单个CCU控制的。ECU也可以控制发动机的其他功能，如排气控制、振动控制等等。

为了在ECU 6发生故障的情况下防止发动机停止，在系统中提供了冗余备份ECU 9。备份ECU监视主要ECU 6，如果检测到故障，关闭主要ECU 6。

然而，如那些本领域技术人员所知道的，可以以许多方式处理冗余。例如，与主要ECU 6和冗余ECU 9分开，可以使用单独的冗余控制器(未显示)。在其它情况下，两个ECU可以在总线上传输它们自己的控制值，单个CCU可以选择使用正确的信号。

然而，在上述系统中，除CCU之外，需要两个ECU。此外，冗余还会导致系统的复杂性增大。

图2显示了根据本发明的控制系统20的一个实施例的示意表示方式。控制系统20应用于与现有技术示例中的轮船中的相同的大型柴油发动机2。因此，使用相同的参考编号来表示相同的元素。

与现有技术的系统相同，发动机2包括许多汽缸3a，3b，3c，每一个汽缸都由汽缸控制单元(CCU)21a，21b，21c来进行控制。如在前一示例中那样，每一个CCU都控制一个汽缸的操作。然而，那些本领域技术人员应该理解，如果需要使用较少的处理器，如果在CCU处理器上有额外的处理能力可用，则每一个CCU都可以控制一个以上的汽缸。

然而，根据本发明的控制系统20不包括具有其自己的处理器的单独的发动机控制单元，如与现有技术那样。以前在ECU中运行的控制算法现在分成顺序地在CCU处理器上运行的许多连续步骤。这是可能的，因为ECU控制算法可以在CCU上可用的空闲时间运行。

此特定实施例中的ECU算法与发动机的旋转同步，以便ECU算法以与汽缸点火的相同顺序从一个CCU传递到下一个CCU。

当启动发动机时，第一汽缸CCU启动ECU算法，该算法计算所需的转速和实际转速之间的误差，并计算应该将多少燃料喷射到第一汽缸中的值。控制值基于PI控制器的输出。此值被传递到第一汽缸CCU汽缸算法。然后，第一汽缸CCU算法喷射所需的燃料量，然后，将ECU算法传递到第二汽缸控制CPU。

当速度控制功能被传递到第二汽缸CCU时，第一汽缸CCU还向第二汽缸CCU发送状态矢量或数据矢量。在此特定实施例中，状态矢量包括ECU控制算法的整数部分的值。如此，以分布式方式实现PI控制器，每一个汽CCU都获取ECU控制算法的连续部分。ECU控制算法和CCU控制算法与发动机的曲轴旋转同步。

状态矢量也可以用来在CCU之间发送另外的数据。例如，连接到某一CCU的传感器可以读取何时特定CCU具有对状态矢量的控制，在向下一个CCU发送状态矢量之前，CCU可以更新状态矢量。

当前分布式控制策略的其中一个优点是，如果一个CPU发生故障，那么，链中的下一个CPU将只使用来自发生故障的CPU之前的CPU的状态矢量。这要求所有CCU在每次发送状态矢量时从总线读取状态矢量。

例如，考虑汽缸x的CCU具有对ECU控制算法的控制的情况。汽缸x的CCU计算所需要的速度和实际速度之间的误差，从状态矢量读取积分器的当前值，用积分器的新的值更新状态矢量，并计算新的控制值。将控制值发送到汽缸x的CCU控制算法，将状态矢量发送到总线5。所有其他CCU都读取由汽缸x的CCU发送的状态矢量，并将它存储在它们的内部存储器中。然后，将控制传输到重复了该过程的汽缸x+1的CCU。

然而，考虑汽缸x+1的CCU发生故障的情况。因此，将不会发生控制操作，汽缸x+1不会运转。此外，状态矢量不会被更新。然而，当曲轴到达预先确定的位置时，ECU控制算法将传输到汽缸x+2的CCU。然后，汽缸x+2的CCU可以基于汽缸x的CCU发布在总线上的状态矢量继续进行控制。

如此，在发生故障的CPU的情况下，不需要进行额外的编程。只是连接到发生故障的CPU的汽缸停止运行，而其他汽缸没有任何问题，继续运行。这会产生非常简单的系统，易于确定其功能。

值得注意的是，在上述示例中，当周期中存在发生故障的CCU时，在两个连续的ECU控制算法之间延长了采样时间。这可能会产生稳定性问题。因此，CCU配备有可以识别其本身之前的CCU是否发生了故障的例程。在此情况下，CCU可以使其控制算法考虑到较大的采样时间。

这例如是可以实现的，因为，状态矢量包括代表最后一次更新状态矢量的CCU的标识戳或序列号。例如，在上面提及的示例中，当汽缸x+2的CCU接收状态矢量时，标识戳或序列号将指定汽缸x。因此，汽缸x+2的CCU将知道汽缸x+1的CCU已经发生故障。

这也可以通过向状态矢量中添加时间戳来实现。如此，可以根据状态矢量中的时间戳和当前时间之间的时间差，预定ECU算法的增益。例如，在上面提及的示例中，汽缸x的CCU可以在将状态矢量传输到总线的紧前面向其中添加时间戳。然后，汽缸x+2的CCU将读取时间戳，并确定最后一个控制操作和当前时间之间的采样时间。如果时间间隔大于期望的值，汽缸x+2的CCU调整其增益。此方法在此特定应用中也有用，因为ECU控制算法与曲轴同步。因此，ECU控制算法步骤之间的时间间隔是可变的，并取决于曲轴转速。因此，上文所提及的方法在对曲轴旋转速度进行增益预定时有用。

应该注意，所选定的增益预定可以呈现许多形式，可以有线性和非线性的两种。例如，在非常低的速度下，可以降低增益余量，以便不致于有过低的增益，否则可能会使发动机操作会出现问题。因此，如果使用增益预定，那么，应该调整增益预定，以便在控制之下匹配系统。

上文所描述的状态矢量或数据矢量也可以用来传输控制数据之外的数据。例如，可以通过状态矢量将传感器数据从一个CCU传输到下一个CCU。例如，CCU的其中一个任务可以是从位于与其连接在一起的CCU的汽缸上的汽缸温度传感器请求当前的汽缸温度。然后，在将状态矢量发送到下一个CCU之前，CCU可以更新状态矢量中的相应的值。如此，状态矢量始终包括所有有关的数据。使用诸如这里所描述的移动状态矢量的优点是，数据的移动被很好地定义。因此，系统的程序员很容易知道在任何时间点数据处于什么位置。在传统的分布式控制系统中，数据沿着许多不同的路径移动，因此，数据流的确定性较差。

此外，上文所提及的移动状态矢量在当前的示例中是有利的，因为状态矢量包括ECU控制算法所需要的所有数据。由于ECU控制算法和状态矢量一起从一个CCU传输到下一个CCU，因此，ECU将始终具有需要处理的当前数据。

然而，应该提及，对于时间敏感的数据，移动状态矢量可以与传统的分布式控制通信组合起来。例如，如果其中一个汽缸检测到问题，可以通过总线向系统的其余部分发送有关该问题的信号。然后，ECU控制算法将能够对问题作出反应，尽管它当前正在另一个汽缸的CCU进行处理。

图3显示了典型的采用现有技术的分布式控制系统的时间图30。系统包括四个处理器P1、P2、P3和P4。系统也包括四个控制算法31、32、33和34。头三个控制算法31，32，33控制进程的子元素，最后一个控制算法协调子元素。

在第一样本35结束时，协调控制算法34向子控制算法31，32，33发送新的参考值。然而，如果协调控制算法34在其上面运行的处理器P4发生故障，整个进程就会停止。

图4显示了根据本发明的控制系统的时间图40。系统包括三个处理器P1、P2、P3和与采用现有技术的情况相同的四个控制算法31，32，33，34。然而，协调控制算法34已经分成三个连续步骤34a，34b，34c。三个连续步骤顺序地在处理器的空闲时间在三个处理器P1、P2、P3之间分布。如此，保存了整个处理器。

应该注意，已经以示意图的方式显示了图4中的时间图。那些本领域技术人员将知道，在用于在单个处理器中进行任务调度的任务之间有比较短的时间段。

图5和6显示了当根据本发明的控制系统应用于具有三个汽缸的大型柴油发动机时三个处理器P1、P2和P3的时间图。P1是汽1的汽缸控制单元(CCU)的一部分，P2是汽缸2的CCU的一部分，P3是汽缸3的CCU的一部分。请注意，选择了具有三个汽缸的发动机以简化图形，然而，对那些本领域技术人员显而易见的是，该方法可以适用于具有任意数量的汽缸的发动机。

图5显示了当电机以80RPM运行时的时间图50。图6显示了当电机以200RPM运行时的时间图60。应该注意，只是非常概要地显示了图形，以便说明概念，而不产生太大的复杂性。

当电机以80RPM运行时(图5)，电机每750ms旋转完整的一周。星51、52、53显示了当相应的汽缸处于它们的上死点(TDC)位置时的时间点。从图形中可以看出，其中一个汽缸每隔250ms处于TDC。在本示例中，CCU控制算法54，55，56花费25ms，在汽缸到达TDC之前25ms必须完成，ECU控制算法57花费25ms才能完成，必须在汽缸到达TDC之前70ms完成。当ECU控制算法完成计算时，它将计算出的控制值提供到相应的CCU控制算法，然后传递到下一个处理器。

在图6中，电机以200RPM的转速运行。因此，电机每300ms旋转完整的一周。因此，不同汽缸的TDC点的间隔为100ms，而不是250ms。这就缩小了可用于进行处理的时间量。然而，控制算法花费相同的时间量，必须在TDC之前的相同时间量完成。

可以看出，在电机以80RPM运行的情况下，在处理器中有许多空闲时间，在电机以200RPM运行的情况下，有稍少的空闲时间。

还应注意，在前一CCU控制算法完成计算之前，ECU控制算法可以开始计算。如此，在前一汽缸的TDC位置之前，ECU控制算法可以开始计算。例如，以200RPM运行的六汽缸发动机每隔50ms在TDC将具有汽缸。这将例如意味着，在进程中的一个点，ECU控制算法将在P2上运行，以计算汽缸2的CCU控制算法的控制值，而汽缸1的CCU控制算法在P1上运行。

还应注意，ECU控制算法从一个处理器移到下一个处理器的顺序不必遵循汽缸的点火顺序(如果不需要这样做的话)。此外，应该注意，ECU控制算法可以在一个CCU的一个处理器上运行，并将其计算出的信号发送到另一个CCU的处理器。例如，ECU控制算法可以在汽缸1的CCU的处理器上运行，并将计算出的参考值发送到汽缸3的CCU。然后，ECU控制算法可以在汽缸2的CCU的处理器上运行，并将计算出的参考值发送到汽缸1的CCU。

值得注意的是，图形和上面的描述以简单和示意图的方式显示了实施例。没有显示内部电子和机械详图，因为那些本领域技术人员应该熟悉这些细节，它们只会不必要地使此说明书复杂化。

那些本领域技术人员还应该理解，本说明书包括许多可以用作分案申请的材料的不同的发明。例如，可以独立于分布式控制发明使用涉及网络上的移动状态矢量的发明。

还应注意，上面的说明书专门讲述了适用于发动机控制的发明。然而，那些本领域技术人员应该理解，本发明也可以用于适用分布式控制的许多其他应用场合。因此，本发明的保护范围不只限于发动机控制应用场合。

Claims

1.一种控制系统(20)，包括：第一处理器(21a)、第二处理器(21b)、用于在第一处理器上运行的第一控制算法(54)和用于在第二处理器上运行的第二控制算法(55)，其特征在于，所述控制系统进一步包括第三控制算法(57)，所述第三控制算法包括许多用于在第一处理器上和在第二处理器上顺序地运行的连续步骤。

2.根据权利要求1所述的控制系统(20)，其特征在于，第三控制算法(57)的连续步骤包括第一数量的步骤和第二数量的步骤，第一数量的步骤在第一处理器(21a)上运行，一旦第一处理器完成了第一数量的步骤，第二数量的步骤在第二处理器(21b)上运行。

3.根据权利要求1所述的控制系统(20)，其特征在于，第三控制算法(57)包括重复的控制循环，并且在第一处理器(21a)上运行控制循环的实例的执行，在第二处理器(21b)上运行控制循环的下一个实例。

4.根据权利要求1、2或3所述的控制系统(20)，其特征在于，第一控制算法(54)控制第一传动器(3a)，而第二控制算法(55)控制第二传动器(3b)。

5.根据权利要求1-4中的任何一个权利要求所述的控制系统(20)，其特征在于，第三控制算法(57)向第一和第二控制算法(54，55)提供参考值。

6.根据权利要求1-5中的任何一个权利要求所述的控制系统(20)，其特征在于，控制系统进一步包括置于第一处理器(21a)和第二处理器(21b)之间的通信系统(5)，所述通信系统用于传输由第三控制算法(57)使用的数据。

7.根据权利要求1-6中的任何一个权利要求所述的控制系统(20)，其特征在于，控制系统进一步包括当第三控制算法(57)从第一处理器切换到第二处理器时由通信系统(5)在第一处理器(21a)和第二处理器(21b)之间传输的数据矢量。

8.根据权利要求7所述的控制系统(20)，其特征在于，数据矢量包括时间戳或当更新数据矢量时设置的序列号。

9.根据权利要求1-8中的任何一个权利要求所述的控制系统(20)，其特征在于，第三控制算法(57)包括积分器，其积分值从第一处理器(21a)传输到第二处理器(21b)。

10.根据权利要求9所述的控制系统(20)，其特征在于，积分值是通过数据矢量传输的。

11根据权利要求1-10中的任何一个权利要求所述的控制系统(20)，其特征在于，第三控制算法(57)和/或第一和第二控制算法(54，55)的控制器增益是增益预定的。

12.根据权利要求11所述的控制系统(20)，其特征在于，增益预定取决于数据矢量上的时间戳和当前时间之间的时间间隔。

13.根据权利要求1-12中的任何一个权利要求所述的控制系统(20)，其特征在于，控制系统用于对活塞式发动机(2)进行控制，其中，第一控制算法控制(54)第一发动机汽缸(3a)的操作，其中，第二控制算法(55)控制第二发动机汽缸(3b)的操作。

14.根据权利要求13所述的控制系统(20)，其特征在于，第三控制算法(57)控制发动机(2)的转速和/或功率输出。

15.根据权利要求13-14中的任何一个权利要求所述的控制系统(20)，其特征在于，控制系统与发动机(2)的旋转同步。

16.根据权利要求15所述的控制系统(20)，其特征在于，增益预定取决于发动机(2)的转速。

17.根据权利要求15或16所述的控制系统(20)，其特征在于，基于发动机(2)的时间安排，在第一处理器(21a)和第二处理器(21b)之间切换第三控制算法(57)的执行。