CN104484740A - 一种核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，使用示波记录仪自动收集控制系统响应时间的测试数据，将测试数据传到PC机上进行分析，并采用双正态分布模型计算出所述控制系统响应时间的置信度，从而解决传统测试中效率低、投入大、易出错及测试结果置信度分析不准确等问题。

Description

一种核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法

技术领域

本发明属于核电数字化控制技术领域，特别涉及一种核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法。

背景技术

核电站控制系统在运行过程中需要采集大量的现场信号，处理器对这些输入信号进行周期运算处理，从而得到实时输出的控制信号。从输入信号变化到控制信号输出所耗费的时间定义为处理器的响应时间，是控制系统的关键性能指标。对响应时间的测试，也是核电站数字化控制系统测试中的重要内容。由于核电领域的特殊性，要求测试结果必须准确可信，但受多种因素的影响，响应时间单次测试结果具有一定的随机性，所以通常要进行多次测试，获取足够多的数据样本，再对大量数据进行科学分析，得出满足指标要求的置信度，从而证明测试结果的可信程度。目前核电站控制系统响应时间的测试通常采用手动测试方法，通过人工读取示波器波形来记录每次的测试结果，再手工录入大量测试数据来进行置信度分析。置信度的分析方法主要采用大数定律或正态分布。这样的测试数据收集方法及分析方法具有以下局限性：

(1)人工读取、记录测试结果效率低，要获取大量数据样本投入较大；

(2)人工记录和处理数据容易造成数据丢失或篡改；

(3)置信度的分析方法将响应时间作为随机变量，没有考虑控制器处理周期对系统响应时间的影响,得出的分析结果不够准确。

基于以上原因，需要提供一种数字化核电站控制系统响应时间的自动测试方法，确保从信号输入、测试数据收集到数据分析可以自动执行，从而快速有效的完成响应时间测试，采用更准确的置信度分析方法进行大量数据分析，以证明测试结果准确可信。

MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂(矩阵实验室)，是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言(如C、Fortran)的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接调用，用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户直接进行下载就可以用。

发明内容

为了克服上述缺点，本发明提供核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，自动收集控制系统响应时间的测试数据，并采用双正态分布模型的置信度分析方法，从而解决传统测试中效率低、投入大、易出错及测试结果置信度分析不准确等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，

S1：由示波记录仪记录被测控制系统的响应时间作为测试数据，并进行存储；

所述的被测控制系统的响应时间为，所述被测控制系统的处理器从输入信号变化到控制信号输出所耗费的时间；

S2：在一定时间内重复执行步骤S1，所述示波记录仪不断记录并存储测试数据；

S3：将测试数据传到PC机上，采用双正态分布模型计算出所述控制系统响应时间的置信度。

所述双正态分布模型包括两个处理周期，其中第一处理周期中处理T_D/T_c的测试数据；第二处理周期处理(1-T_D/T_C)的测试数据；

T_C为处理器运算周期，由所述被测控制系统给定；所述运算器处理周期T_C包括：数据处理时间T_D，所述数据处理时间T_D＝T_C(M/T)，其中T为所述控制系统设计的最大数据处理容量(由所述被测控制系统给定)，M为所述控制系统的实际数据处理量(为测量所得)。

所述第一周期和所述第二周期的时间分隔点为X₁，所述时间分割点X₁的值为：所述第一周期的测试数据中最大值和所述第二周期中测试数据最小值的平均值。

将所述测试数据按大小排序，所述第一周期的测试数据为占所述测试数据总量的T_D/T_c的小值；

所述第二周期的测试数据为占所述测试数据总量的(1-T_D/T_C)的小值。

所述双正态分布模型的概率密度函数为：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_1\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{{\left({x-\mathrm{\&mu;}}_1\right)}^2}{{{2\mathrm{\&sigma;}}_1}^2}},\mathrm{\&chi;}{<x}_1\\ \frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{{\left({x-\mathrm{\&mu;}}_2\right)}^2}{{{2\mathrm{\&sigma;}}_2}^2}},\mathrm{\&chi;}{\&GreaterEqual;x}_1\end{array}\right.---\left(1\right);$

其中，μ₁为所述第一周期的测试数据的均值；σ₁为基于所述第一周期测试数据的正态分布标准差σ₁；μ₂为所述第二周期的测试数据的均值；σ₂为基于所述第二周期测试数据的正态分布标准差。

根据所述式(1)得到修正后的置信度的计算式：

所述置信度为所述双正态分布模型在坐标轴上的面积。

所述PC机上包括数据分析工具，所述数据分析工具将所述测试数据按时间和测试数据的数量为统计指标，绘制统计分析图表；所述统计分析图表包括直方图。

在执行测试之前，先要建立测试环境，所述测试环境包括：所述自动测试装置、示波记录仪、被测控制系统以及PC机，其中，由自动测试装置产生信号，并同时传递给所述核电站数字化控制系统和示波记录仪；此时示波记录仪记录测试开始时间；

所述输入信号经过所述核电站数字化控制系统的处理器进行运算产生输出信号，并传送给所述示波记录仪，此时示波记录仪记录测试结束时间；

所述测试开始时间到测试结束时间为所述控制系统的响应时间；所述示波记录仪记录所述被测控制系统处理器从输入信号变化到控制信号输出的时间为相应响应时间作为测试数据，并进行存储。

在所述步骤S3中，将测试数据传到PC机上后先要对测试数据进行分析，包括：检查所述测试数据是否有超过设定的上限，如果超过设定的上限，则需要检查测试环境是否有问题；反之，检查置信度是否满足设定要求；

优选的，当所述测试数据超过设定的上限并且所述测试环境有问题时，重新建立测试环境，并且重新始执行测试；

优选的，当所述测试数据超过设定的上限，而所述测试环境没有问题时，表示所述核电站数字化控制系统出现故障，此时提交测试结果，等待重新测试；

优选的，所述上限为100ms；

优选的，所述步骤S1中，所述示波记录仪记录的测试数据存储为csv格式文件；

优选的，所述每个csv格式文件包括一条测试数据；

优选的，当所述置信度不满足设定要求时，继续执行所述步骤S2；

优选的，所述置信度的设定要求为：所述置信度不小于99％。

本发明的有益效果是，一种使用“双正态分布叠加的概率密度公式”对定周期的数字化核电站控制系统响应时间测试结果置信度进行分析的方法。提供：

(1)一种自动记录测试数据、自动识别变化信号并计算响应时间的方法；

(2)一种处理器定周期运行的数字化核电站控制系统响应时间测试结果置信度的分析方法。

(3)本发明与已有技术相比，数据收集过程可以无人值守的连续执行，大大提高测试效率，更快速、更准确地获取更多的响应时间测试数据样本。

(4)改进后的置信度分析方法更接近处理器定周期运行的数字化控制系统响应时间测试置信度的实际情况。

(5)本发明采用的自动化测试方法可以有效降低人力成本，提高测试效率，降低人为干预对测试结果及数据分析结果的影响。

(6)现有的对测试结果置信度的分析方法是基于各种影响因素对响应时间的影响都具有随机性的假设。但针对处理器定周期运行的核电站控制系统，处理器周期内要完成数据处理任务和其他周期任务，在处理器周期运行时一个周期时间内产生的数据，只有在执行数据处理任务之前收到的数据能在本周期内处理，数据处理任务完成后收到的数据将在下一个周期处理，因此数据处理任务所需时间占处理器周期的百分比是系统响应时间的重要影响因素。本发明在对测试结果置信度进行分析时考虑了这一因素，分析结果更接近实际情况，得出的置信度更加合理准确。

附图说明

下面结合附图对本发明所述的一种核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法进行具体说明。

图1是本发明测试系统响应时间流程图；

图2是本发明处理器运算周期示意图；

图3是本发明“处理器周期运行的控制系统响应时间”的概率分布曲线图；

图4是本发明测试方法示意图；

图5是本发明测试方法示意图；

图6是本发明响应时间直方图；

图7是现有技术测试方法示意图；

图8是现有技术正态分布曲线图。

具体实施方式

一、使用本发明测试系统响应时间的实施流程：

根据本发明的方法，测试按图1所示的流程操作，直至被测系统响应时间满足限值和置信度要求，结束测试。

按照流程写步骤(这个步骤最好包括现场设备)

1)需要准备好测试环境，连接要测试的现场设备；

2)当准备工作完成后，执行测试，并记录测试结果；

在这里，用示波记录仪采集测试信号，示波记录仪可以同时连接信号发生装置和被测试的现场设备，当信号发生装置产生信号时，示波记录仪记录开始时间；而当被测试的现场设备产生输出信号时，示波记录仪记录结束时间；从信号发生装置产生信号到被测试的现场设备产生输出信号的这一段时间就是被测现场设备的系统响应时间，示波记录仪记录一次系统响应时间的测试数据，并进行存储。

3)示波仪不断记录并存储测试数据，直到测试过程结束；此时将示波仪记录的大量测试数据进行分析

4)首先检查系统响应时间是否有超过设定的上限，如果系统响应时间超过设定的上限，则执行步骤5)；反之执行步骤7)；

5)如果系统响应时间超过设定的上限，则检查测试环境是否存在问题，如果测试环境出现问题，则分析并处理测试环境的问题，问题解决后重新开始执行步骤1)，否则测试环境没有问题时，执行步骤6)；

6)当系统响应时间超过设定的上限，而测试环境不存在问题时，说明测试数据不合格，此时需要将测试结果告知系统设计人员，由系统设计人员对被测控制系统涉及的板件或软件进行分析，检查被测控制系统本身是否存在问题，此时需要提交问题，由系统设计人员分析并解决完问题后,重新开始执行步骤2)；

7)当处理器运算时间没有超过设定的上限时，需要检查置信度是否满足设定要求，如果置信度满足设定要求时，测试结束，否则执行步骤8)；

8)当置信度不满足设定要求，需要增加测试次数，此时需要继续执行步骤2)。

二、置信度计算方法改进原理说明：

“处理器运算周期”(以下简称周期)中只有数据处理时间T_D用于处理所有配置数据，剩余时间完成其他任务或空闲。

而数据处理时间T_D用于处理所有配置数据

如图2所示，在一个周期时间T_C内，信号发送到处理器的时间可能落在T_C范围内的任意一点，如果落在小于数据处理时间T_D之前的任意一点，能在本周期内处理，其响应时间将落在图3中的A区，而落在大于数据处理时间T_D之后的，将在下一个周期处理，其响应时间将落在图3中的B区。

测试时输入信号的时间是均匀分布的，所以一个周期时间内接收到的信号将有T_D/T_C的数据可以在本周期处理，(1-T_D/T_C)的数据在下个周期处理，其处理器完成时间服从正态分布。基于以上分析，“处理器周期运行的控制系统响应时间”的概率分布曲线应为两条正态分布曲线的叠加，如图3所示：

为了使分析结果更接近现实情况，本发明改进了“处理器周期运行的系统响应时间”概率密度公式，得出以下双正态分布叠加的概率密度函数：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_1\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{{\left({x-\mathrm{\&mu;}}_1\right)}^2}{{{2\mathrm{\&sigma;}}_1}^2}},\mathrm{\&chi;}{<x}_1\\ \frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{{\left({x-\mathrm{\&mu;}}_2\right)}^2}{{{2\mathrm{\&sigma;}}_2}^2}},\mathrm{\&chi;}{\&GreaterEqual;x}_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中：

σ₁：本周期完成运算的系统响应时间正态分布标准差；

μ₁：本周期完成运算的系统响应时间正态分布均值；

σ₂：下个周期完成运算的系统响应时间正态分布标准差；

μ₂：下个周期完成运算的系统响应时间正态分布均值；

x₁：本周期和下周期完成数据处理的系统响应时间分隔点；

根据上述分析，“处理器周期运行的系统响应时间”置信度按下式计算：

三、测试数据收集方法及置信度分析方法说明：

为了高效准确的获取大量的测试数据，本发明提供了一种数字化核电站控制系统响应时间的自动化数据收集处理方法。通过控制输入信号自动变化的测试装置使输入信号自动产生周期变化，采用NEC RA2300示波记录仪连续记录测试数据，再将测试数据传到PC机上，使用Matlab自编数据处理程序对测试数据进行分析，从而计算出响应时间的置信度。

该方法在测试过程中自动获取数据，自动分析数据并计算置信度，便于获取大量测试数据，可以有效地保证测试数据的真实性和有效性，减少测试人员投入。测试方法示意如图4所示，

由自动测试装置自动改变输入信号，来控制信号的输入频率，自动测试装置产生的输入信号同时传递给控制站和示波记录仪；此时示波记录仪记录测试开始时间；

这里的自动测试装置为信号发生装置；

输入信号从控制站的输入模件进入，经过处理器的运算并通过输出模件将信号输出后再进入示波记录仪；此时示波记录仪记录测试结束时间；

从开始时间到结束时间的这一段时间包括处理器的运行时间T_C图和信号经过输入模件、输出模件的时间T_M，这里，T_M对系统响应时间的影响较小且基本固定，可以按常数处理。

本发明重点介绍输入信号和输出信号进入示波记录仪后的处理，范围为图4中右下方框出的部分，涉及的具体方案如图5

1.获取T_D和T_C值：

T_C值为处理器的运算周期，可以从设计文件查得，T_D值与控制系统需要处理的数据量相关，通过组态配置可以获得系统总的数据处理量。根据数据量结合处理器运算周期计算出数据处理时间T_D。将T_D和T_C值以文件形式保存到与波形文件相同的目录下，以备置信度计算程序自动读取。

2.获取原始波形文件：

对RA2300示波记录仪进行设置，使其连续记录测试通道的波形数据，并保存为.csv格式的波形文件，将一组测试获取的波形文件拷贝到PC机指定目录。

3.数据预处理：

从录波仪中拷贝的原始波形文件是.csv格式的，Matlab无法直接读取，使用Matlab编写一个可以批量转换文件格式的工具，将录波仪保存的所有波形文件转换为.xls格式。

4.使用Matlab编写的数据分析工具处理波形数据，完成以下功能：

1)计算响应时间：

选择波形文件所在的目录，自动运行Matlab编写的数据分析工具，程序自动读取波形文件中的数据，针对每份波形文件，识别和获取响应时间的起始触发时刻t₀以及响应结束时刻t₁，t₁-t₀即为该份波形文件记录的响应时间值。计算出一组测试的所有响应时间，将其全部保存到一个.xls格式的文件中。表1为100次测试的响应时间：

表1响应时间测试数据

2)计算均值和标准差：

数据分析工具在计算出各次测试的响应时间后，将自动读取T_D和T_C值文件并计算出T_D/T_C，之后对此组测试的响应时间进行小值筛选，选出占样本总量T_D/T_C的小值，作为本周期完成数据处理的系统响应时间样本，求这些样本的均值μ₁和标准差σ₁，再将剩余(1-T_D/T_C)的大值作为下个周期完成数据处理的系统响应时间样本，求其均值μ₂和标准差σ₂。从小值样本组中选出最大值，从大值样本组中选出最小值，计算其平均值作为本周期和下周期完成数据处理的系统响应时间分隔点x₁。

3)画出直方图：

数据分析工具在计算出各次测试的响应时间后，分别将小值样本组和大值样本组的样本平均分成10份，统计每份中的样本数量，绘制出横轴为系统响应时间，纵轴为样本数量的直方图，如图6所示。

4)计算置信度：

将T_D、T_C和上步中计算出的参数μ₁、σ₁、、μ₂、σ₂，代入置信度计算公式②中，计算出测试结果小于等于上限标准值的置信度。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (8)

1.一种核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，

S1：由示波记录仪记录被测控制系统的响应时间作为测试数据，并进行存储；

所述的被测控制系统的响应时间为，所述被测控制系统的处理器从输入信号变化到控制信号输出所耗费的时间；

S2：在一定时间内重复执行步骤S1，所述示波记录仪不断记录并存储测试数据；

S3：将测试数据传到PC机上，采用双正态分布模型计算出所述控制系统响应时间的置信度。

2.根据权利要求1所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，所述双正态分布模型包括两个处理周期，其中第一处理周期中处理T_D/T_c的测试数据；第二处理周期处理(1-T_D/T_C)的测试数据；

T_C为处理器运算周期，由所述被测控制系统给定；所述运算器处理周期T_C包括：数据处理时间T_D，所述数据处理时间T_D＝T_C(M/T)，其中T为所述控制系统设计的最大数据处理容量(由所述被测控制系统给定)，M为所述控制系统的实际数据处理量(为测量所得)。

3.根据权利要求2所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，所述第一周期和所述第二周期的时间分隔点为X₁，所述时间分割点X₁的值为：所述第一周期的测试数据中最大值和所述第二周期中测试数据最小值的平均值。

4.根据权利要求2所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，将所述测试数据按大小排序，所述第一周期的测试数据为占所述测试数据总量的T_D/T_c的小值；

所述第二周期的测试数据为占所述测试数据总量的(1-T_D/T_C)的小值。

5.根据权利要求2-5任一项所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，所述双正态分布模型的概率密度函数为：

$f\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_1\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{{(x-{\mathrm{\&mu;}}_1)}^2}{{{2\mathrm{\&sigma;}}_1}^2}},& \mathrm{\&chi;}<x_1\\ \frac{1}{{\mathrm{\&sigma;}}_2\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}}{e}^{-\frac{{(x-{\mathrm{\&mu;}}_2)}^2}{{{2\mathrm{\&sigma;}}_2}^2}},& \mathrm{\&chi;}\&GreaterEqual;x_1\end{array}\right.---\left(1\right);$

其中，μ₁为所述第一周期的测试数据的均值；σ₁为基于所述第一周期测试数据的正态分布标准差σ₁；μ₂为所述第二周期的测试数据的均值；σ₂为基于所述第二周期测试数据的正态分布标准差。

6.根据权利要求5所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，根据所述式(1)得到修正后的置信度的计算式：

所述置信度为所述双正态分布模型在坐标轴上的面积。

7.根据权利要求1-6任一项所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，所述PC机上包括数据分析工具，所述数据分析工具将所述测试数据按时间和测试数据的数量为统计指标，绘制统计分析图表；所述统计分析图表包括直方图。

8.根据权利要求1所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，在执行测试之前，先要建立测试环境，所述测试环境包括：所述自动测试装置、示波记录仪、被测控制系统以及PC机，其中，由自动测试装置产生信号，并同时传递给所述核电站数字化控制系统和示波记录仪；此时示波记录仪记录测试开始时间；

所述输入信号经过所述核电站数字化控制系统的处理器进行运算产生输出信号，并传送给所述示波记录仪，此时示波记录仪记录测试结束时间；

所述测试开始时间到测试结束时间为所述控制系统的响应时间；所述示波记录仪记录所述被测控制系统处理器从输入信号变化到控制信号输出的时间为相应响应时间作为测试数据，并进行存储。

9根据权利要求1-8任一项所述的核电站数字化控制系统响应时间测试的置信度分析方法，其特征在于，在所述步骤S3中，将测试数据传到PC机上后先要对测试数据进行分析，包括：检查所述测试数据是否有超过设定的上限，如果超过设定的上限，则需要检查测试环境是否有问题；反之，检查置信度是否满足设定要求；

优选的，当所述测试数据超过设定的上限并且所述测试环境有问题时，重新建立测试环境，并且重新始执行测试；

优选的，当所述测试数据超过设定的上限，而所述测试环境没有问题时，此时提交测试结果，由系统设计人员分析并解决完问题后，执行所述步骤S1；

优选的，所述上限为100ms；

优选的，所述步骤S1中，所述示波记录仪记录的测试数据存储为csv格式文件；

优选的，所述每个csv格式文件包括一条测试数据；

优选的，当所述置信度不满足设定要求时，继续执行所述步骤S2；

优选的，所述置信度的设定要求为：所述置信度不小于99％。