CN109828449A - 一种三模冗余控制计算表决系统及方法 - Google Patents

一种三模冗余控制计算表决系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三模冗余控制计算表决系统及方法。传统三模冗余系统所采用的三选二表决机制很有可能导致正确的表决输入数据被仲裁出局。本发明的两个输入表决器分别对三个传感器的输出数据进行表决，三个控制计算机同步进行计算，产生控制指令，由两个输出表决器分别对三个控制计算机的处理数据进行表决，得到最终表决结果并输出指令。本发明的输入表决器或输出表决器的表决算法经过输入比对、权值设定、历史比对与表决环节后，即使同时出现两个错误的表决输入数据时，也不会将唯一正确的表决输入数据表决出局。

Description

一种三模冗余控制计算表决系统及方法
技术领域
本发明属于计算机控制领域，具体涉及一种改进的三模冗余控制计算表决系统及方法。
背景技术
冗余控制系统由于其高可靠性与高可用性，在工业控制领域、航空航天领域、船舶工业等领域应用广泛，尤其是三模冗余控制系统。
经检索发现，多数涉及三模冗余的系统均采取单一表决器的结构形式，一旦表决器出现故障，整个控制系统输出的正确性以及连续性将很难保证；此外，多数三模冗余系统的表决算法都是采用传统的三选二模式，当出现两个错误的表决输入数据时，表决器很有可能会导致正确的表决输入数据被仲裁出局，从而导致系统控制输出错误。比如，专利《一种三冗余的船舶动力定位控制计算机系统》(专利号201210458941.0)中所述的三冗余控制计算机系统，其仲裁单元和与之相连的独立控制计算机中任何一个出现故障时，由该仲裁单元和控制计算机组成的控制子系统就会失去控制功能，而且所述的表决算法也只是传统的三选二模式。专利《一种多冗余仲裁的动力定位控制系统及方法》(专利号201710250494.2)中所述的控制输出裁决算法也是常规的三选二模式。
发明内容
本发明的目的是提供一种三模冗余控制计算表决系统及方法。
本发明一种三模冗余控制计算表决系统，包括两个相同的输入表决器、三个相同的控制计算机和两个相同的输出表决器；每台控制计算机与各个输入表决器以及各个输出表决器分别相连；两个输入表决器相互连接，执行相同的表决算法，并互相备份表决结果；三个传感器的输出数据均输给每个输入表决器；三台控制计算机相互连接，两个输入表决器的表决数据均输给每台控制计算机；三台控制计算机同步执行相同的计算任务，每台控制计算机的输出数据均发送给每个输出表决器；两个输出表决器相互连接，执行相同的表决算法，并互相备份表决结果；三台控制计算机中有一台主控计算机，最初由主控计算机指定输入表决器中的主输入表决器和输出表决器中的主输出表决器，主输出表决器的表决数据作为最终表决结果进行输出。当主控计算机出现故障时，主控权自动切换给正常工作的另一台计算机。当主输入表决器出现故障时，备用输入表决器转换为主输入表决器，继续执行表决与输出功能。当主输出表决器出现故障时，备用输出表决器切换为主输出表决器，继续执行表决与输出功能。
一种三模冗余控制计算表决方法，具体如下：首先两个输入表决器分别对三个传感器的输出数据进行表决，三个控制计算机同步进行计算，产生相应的控制指令，由两个输出表决器分别对三个控制计算机的输出数据进行表决，得到最终表决结果并输出指令；其中，输入表决器或输出表决器的表决算法，具体步骤如下：
(1)输入比对
当输入表决器进行表决时，在三个传感器同步一致的前提下，检测三个传感器的输出数据的不同程度；当输出表决器进行表决时，在三台控制计算机同步一致的前提下，检测三台控制计算机的输出数据的不同程度，具体如下：当输入表决器进行表决时，x1,x2,x3分别定义为三个传感器的输出数据，即各个输入表决器的表决输入数据；当输出表决器进行表决时，x1,x2,x3分别定义为三台控制计算机的输出数据，即各个输出表决器的表决输入数据。比较|xi-xj|，其中i,j＝1,2,3,i≠j；定义最大输入表决阈值ε1，如果每组比对都满足|xi-xj|＜ε1，则依次执行步骤(2)和步骤(4)，否则依次执行步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)。
(2)权值设定
若满足|xi-xj|＜ε1，i,j＝1,2,3,i≠j，则记αij＝1，否则记αij＝0；i依次取值，并对每一个i值分别判定xi是否至少存在一个αij＝1，是则记录Si＝1，否则记录Si＝0。
计算每个传感器或每台控制计算机当前控制节拍前n个控制节拍的q为控制节拍序号；计算Pi＝Hi/n，并根据Pi值生成相应传感器或控制计算机的权值：
(3)历史比对
将步骤(1)中与其它路数据的比对偏差存在超过最大输入表决阈值ε1情况的那路数据进行历史比对，历史比对过程如下：①设定需要进行历史比对的那路数据为xi，当xi为输入表决器的表决输入数据时，将主输入表决器对当前表决节拍k+1的表决输入数据xi(k+1)与该表决器先前m个表决节拍的表决输出平均值进行比较，表示为其中，y(k)，y(k-1)，…，y(k-(m-1))为历史表决输出值；当xi为输出表决器的表决输入数据时，将主输出表决器对当前表决节拍k+1的表决输入数据xi(k+1)与该表决器先前m个表决节拍的表决输出平均值进行比较；②定义历史对比阈值ε2，如果存在则保留该表决输入数据，剔除其余两路表决输入数据；如果则剔除该表决输入数据，保留其余两路表决输入数据。
(4)表决环节
1)如果存在三个表决输入数据，且三个表决输入数据完全相同，则表决出最终的控制输出
2)如果存在三个表决输入数据，且三个表决输入数据不完全相同，则当三个表决输入数据彼此偏差均在最大输入表决阈值ε1内时，表决结果y为三者的加权平均值：
3)只存在两个表决输入数据时，表决结果y为两者的加权平均值；只存在一个表决输入数据时，则表决结果y为进入当前表决环节的表决输入数据。
所述的三个传感器均为定位传感器。
本发明具有的有益效果：
本发明中控制计算机的主控权可以自动切换，特别当主控计算机出现故障时，主控权可自动切换至其余正常工作的计算机；输入与输出主表决器最初由主控计算机指定，当主输入表决器或主输出表决器出现故障时，可切换至备用输入表决器或输出表决器继续工作。本发明克服了传统多重冗余系统中，单一表决器故障就会导致整个系统故障的缺点；也克服了传统三选二表决模式中，当出现两个错误的表决输入时，会将唯一正确的表决输入数据表决出局，从而导致系统最终表决错误的缺陷。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明中输入表决器或输出表决器的表决算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
结合图1，一种三模冗余控制计算表决系统，包括两个相同的输入表决器1、三个相同的控制计算机2和两个相同的输出表决器3；每台控制计算机1与各个输入表决器2以及各个输出表决器3分别相连；两个输入表决器1相互连接，执行相同的表决算法，并互相备份表决结果；三个传感器的输出数据均输给每个输入表决器1；三台控制计算机2相互连接，两个输入表决器1的表决数据均输给每台控制计算机2；三台控制计算机2同步执行相同的计算任务，每台控制计算机2的输出数据均发送给每个输出表决器；两个输出表决器3相互连接，执行相同的表决算法，并互相备份表决结果；三台控制计算机中有一台主控计算机，最初由主控计算机指定输入表决器中的主输入表决器和输出表决器中的主输出表决器，主输出表决器的表决数据作为最终表决结果进行输出。当主控计算机出现故障时，主控权自动切换给正常工作的另一台计算机。当主输入表决器出现故障时，备用输入表决器转换为主输入表决器，继续执行表决与输出功能。当主输出表决器出现故障时，备用输出表决器切换为主输出表决器，继续执行表决与输出功能。
结合图2，该三模冗余控制计算表决系统的表决方法，首先两个输入表决器分别对三个传感器的输出数据进行表决，三个控制计算机同步进行计算，产生相应的控制指令，由两个输出表决器分别对三个控制计算机的输出数据进行表决，得到最终表决结果并输出指令；其中，输入表决器或输出表决器的表决算法，具体步骤如下：
(1)输入比对
当输入表决器进行表决时，在三个传感器同步一致的前提下，检测三个传感器的输出数据的不同程度；当输出表决器进行表决时，在三台控制计算机同步一致的前提下，检测三台控制计算机的输出数据的不同程度，具体如下：当输入表决器进行表决时，x1,x2,x3分别定义为三个传感器的输出数据，即每个输入表决器的表决输入数据均包含了x1,x2和x3；当输出表决器进行表决时，x1,x2,x3分别定义为三台控制计算机的输出数据，即每个输出表决器的表决输入数据均包含了x1,x2和x3。比较|xi-xj|，其中i,j＝1,2,3,i≠j；定义最大输入表决阈值ε1，如果每组比对都满足|xi-xj|＜ε1，则依次执行步骤(2)和步骤(4)，否则依次执行步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)。
本实施例中，输入表决器的输入数据为三个定位传感器的数据。
最大输入表决阈值ε1由每个控制节拍内被控系统的物理与机械约束综合来决定。
(2)权值设定
若满足|xi-xj|＜ε1，i,j＝1,2,3,i≠j，则记αij＝1，否则记αij＝0；i依次取值，并对每一个i值分别判定xi是否至少存在一个αij＝1，是则记录Si＝1，否则记录Si＝0。
计算每个传感器或每台控制计算机当前控制节拍前n个控制节拍的q为控制节拍序号，Hi值即为传感器i或控制计算机i的Si值历史记录之和。计算Pi＝Hi/n，该值大小反映了在过去的n次循环中，传感器i或控制计算机i记录Si＝1的次数，次数越多，即有效输出数据越多，该传感器或控制计算机的可靠度越高，给予的权重可以更大，反之可信度较低，给予相对较小的权重。最后根据Pi值生成相应传感器或控制计算机的权值：
(3)历史比对
将步骤(1)中与其它路数据的比对偏差存在超过最大输入表决阈值ε1情况的那路数据进行历史比对，历史比对过程如下：①设定需要进行历史比对的那路数据为xi，为了避免将正确的表决输入数据仲裁出局，当xi为输入表决器的表决输入数据时，将主输入表决器对当前表决节拍k+1的表决输入数据xi(k+1)与该表决器先前m个表决节拍的表决输出平均值进行比较，表示为其中，y(k)，y(k-1)，…，y(k-(m-1))为历史表决输出值；当xi为输出表决器的表决输入数据时，将主输出表决器对当前表决节拍k+1的表决输入数据xi(k+1)与该表决器先前m个表决节拍的表决输出平均值进行比较；②定义历史对比阈值ε2，如果存在则保留该表决输入数据，剔除其余两路表决输入数据；如果则剔除该表决输入数据，保留其余两路表决输入数据。如此，即使出现两路错误的表决输入数据，也不会将唯一那路正确的表决输入数据表决出局。
历史对比阈值ε2由每个控制节拍内被控系统的物理与机械约束综合来决定。
(4)表决环节
1)如果存在三个表决输入数据，且三个表决输入数据完全相同，则表决出最终的控制输出
2)如果存在三个表决输入数据，且三个表决输入数据不完全相同，则当三个表决输入数据彼此偏差均在最大输入表决阈值ε1内时，表决结果y为三者的加权平均值：
3)如果步骤(1)中有一路数据与其它路数据的比对偏差存在超过最大输入表决阈值ε1的情况，则经步骤(3)后，只会出现存在两个表决输入数据或一个表决输入数据的情况；存在两个表决输入数据时，表决结果y为两者的加权平均值；只存在一个表决输入数据时，则表决结果y即为进入当前表决环节的表决输入数据。

Claims (3)

1.一种三模冗余控制计算表决系统，包括两个相同的输入表决器、三个相同的控制计算机和两个相同的输出表决器，其特征在于：每台控制计算机与各个输入表决器以及各个输出表决器分别相连；两个输入表决器相互连接，执行相同的表决算法，并互相备份表决结果；三个传感器的输出数据均输给每个输入表决器；三台控制计算机相互连接，两个输入表决器的表决数据均输给每台控制计算机；三台控制计算机同步执行相同的计算任务，每台控制计算机的输出数据均发送给每个输出表决器；两个输出表决器相互连接，执行相同的表决算法，并互相备份表决结果；三台控制计算机中有一台主控计算机，最初由主控计算机指定输入表决器中的主输入表决器和输出表决器中的主输出表决器，主输出表决器的表决数据作为最终表决结果进行输出；当主控计算机出现故障时，主控权自动切换给正常工作的另一台计算机；当主输入表决器出现故障时，备用输入表决器转换为主输入表决器，继续执行表决与输出功能；当主输出表决器出现故障时，备用输出表决器切换为主输出表决器，继续执行表决与输出功能。
2.一种三模冗余控制计算表决方法，其特征在于：该方法具体如下：首先两个输入表决器分别对三个传感器的输出数据进行表决，三个控制计算机同步进行计算，产生相应的控制指令，由两个输出表决器分别对三个控制计算机的输出数据进行表决，得到最终表决结果并输出指令；其中，输入表决器或输出表决器的表决算法，具体步骤如下：
(1)输入比对
当输入表决器进行表决时，在三个传感器同步一致的前提下，检测三个传感器的输出数据的不同程度；当输出表决器进行表决时，在三台控制计算机同步一致的前提下，检测三台控制计算机的输出数据的不同程度，具体如下：当输入表决器进行表决时，x1,x2,x3分别定义为三个传感器的输出数据，即各个输入表决器的表决输入数据；当输出表决器进行表决时，x1,x2,x3分别定义为三台控制计算机的输出数据，即各个输出表决器的表决输入数据；比较|xi-xj|，其中i,j＝1,2,3,i≠j；定义最大输入表决阈值ε1，如果每组比对都满足|xi-xj|＜ε1，则依次执行步骤(2)和步骤(4)，否则依次执行步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)；
(2)权值设定
若满足|xi-xj|＜ε1，i,j＝1,2,3,i≠j，则记αij＝1，否则记αij＝0；i依次取值，并对每一个i值分别判定xi是否至少存在一个αij＝1，是则记录Si＝1，否则记录Si＝0；
计算每个传感器或每台控制计算机当前控制节拍前n个控制节拍的q为控制节拍序号；计算Pi＝Hi/n，并根据Pi值生成相应传感器或控制计算机的权值：
(3)历史比对
将步骤(1)中与其它路数据的比对偏差存在超过最大输入表决阈值ε1情况的那路数据进行历史比对，历史比对过程如下：①设定需要进行历史比对的那路数据为xi，当xi为输入表决器的表决输入数据时，将主输入表决器对当前表决节拍k+1的表决输入数据xi(k+1)与该表决器先前m个表决节拍的表决输出平均值进行比较，表示为其中，y(k)，y(k-1)，…，y(k-(m-1))为历史表决输出值；当xi为输出表决器的表决输入数据时，将主输出表决器对当前表决节拍k+1的表决输入数据xi(k+1)与该表决器先前m个表决节拍的表决输出平均值进行比较；②定义历史对比阈值ε2，如果存在则保留该表决输入数据，剔除其余两路表决输入数据；如果则剔除该表决输入数据，保留其余两路表决输入数据；
(4)表决环节
1)如果存在三个表决输入数据，且三个表决输入数据完全相同，则表决出最终的控制输出
2)如果存在三个表决输入数据，且三个表决输入数据不完全相同，则当三个表决输入数据彼此偏差均在最大输入表决阈值ε1内时，表决结果y为三者的加权平均值：
3)只存在两个表决输入数据时，表决结果y为两者的加权平均值；只存在一个表决输入数据时，则表决结果y为进入当前表决环节的表决输入数据。
3.根据权利要求2所述的一种三模冗余控制计算表决方法，其特征在于：所述的三个传感器为相同的传感器，采集相同的数据。
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