控制器局域網(wǎng)(CAN)作為有效支持分布式和實時性控制的現(xiàn)場總線,廣泛應(yīng)用于車輛通信、航空系統(tǒng)、以及工業(yè)控制等對安全性和可靠性要求嚴(yán)格的領(lǐng)域。工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備運行過程引起的線纜疲勞、絕緣磨損或連接部件松脫等現(xiàn)象導(dǎo)致CAN網(wǎng)絡(luò)中暫態(tài)連接(IC)故障頻繁發(fā)生。IC故障會重復(fù)性的短時中斷現(xiàn)場設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的通信,這不僅造成系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量的下降,而且對系統(tǒng)的可靠性和安全性帶來極大的風(fēng)險,因此對CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生IC故障時的性能狀態(tài)實時評估及IC故障在線準(zhǔn)確高效診斷的需求日益迫切。本論文深入分析了總線對IC故障錯誤響應(yīng)機理,在此基礎(chǔ)上探索了IC故障與錯誤響應(yīng)因果關(guān)系并建立了IC故障特征參數(shù)估計方法。描述了IC故障導(dǎo)致的CAN網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運行信息和各狀態(tài)的物理意義實時評估了CAN網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)。設(shè)計了IC故障發(fā)生時數(shù)據(jù)鏈路層錯誤信息采集傳感器,基于傳感器測量結(jié)果提出了應(yīng)用于CAN簡單拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性的IC故障診斷方法。通過對CAN復(fù)雜拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中IC故障可診斷性的分析,設(shè)計了實現(xiàn)故障完全可診斷的最優(yōu)傳感器布置策略并高效精準(zhǔn)的診斷了多種類型IC故障。通過在CAN網(wǎng)絡(luò)半物理實驗平臺上實施的多組實驗,論證了本文所提方法和技術(shù)的有效性。本論文分六章,各章內(nèi)容具體分述如下。第一章從CAN網(wǎng)絡(luò)及IC故障特性的角度介紹了研究背景;介紹了網(wǎng)絡(luò)故障和錯誤響應(yīng)的建模研究,分析了現(xiàn)有方法在描述IC故障及其影響時的不足;介紹了網(wǎng)絡(luò)性能評估與分析的研究現(xiàn)狀,分析了現(xiàn)有方法應(yīng)用于CAN網(wǎng)絡(luò)時的缺點;介紹了網(wǎng)絡(luò)可診斷性、暫態(tài)故障診斷及CAN網(wǎng)絡(luò)故障診斷等方面的研究,分析了現(xiàn)有方法的特點和在IC故障診斷方面的不足。然后提出了本文的研究目標(biāo)和研究意義,最后概述了本文研究內(nèi)容及其內(nèi)在聯(lián)系。第二章研究了CAN網(wǎng)絡(luò)對IC故障的錯誤響應(yīng)特性機理及IC故障參數(shù)的實時估計。首先深入分析了錯誤響應(yīng)機理,并在此基礎(chǔ)上建立了錯誤響應(yīng)的時間和概率描述模型。然后通過對錯誤幀個數(shù)計數(shù)過程建立隨機模型表述IC故障和錯誤響應(yīng)特性的因果關(guān)系,并完成了IC故障特性描述參數(shù)的估計。最后搭建了實驗臺,通過實驗驗證了錯誤響應(yīng)機理模型及IC故障參數(shù)估計方法的有效性。第三章研究了IC故障對CAN網(wǎng)絡(luò)運行性能表征參數(shù)的影響趨勢及其實時定量評估。首先分析了CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生IC故障時存在的狀態(tài),并建立確定與隨機Petri網(wǎng)模型描述了各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系。然后基于網(wǎng)絡(luò)運行信息和第二章IC故障參數(shù)的估計值計算了模型參數(shù),且基于模型各狀態(tài)的物理意義和概率分布定義和實時計算了網(wǎng)絡(luò)的可用度參數(shù)。最后,通過實驗驗證了對CAN網(wǎng)絡(luò)可用度實時評估方法的有效性。第四章對CAN簡單拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的IC故障診斷展開了研究。首先設(shè)計了IC故障發(fā)生時采集總線數(shù)據(jù)鏈路層錯誤信息并生成錯誤事件的傳感器,并分析了不同類型IC故障對應(yīng)的錯誤事件元組模式。然后提出了包含基于上下文無關(guān)文法的診斷算法、基于貝葉斯推理的診斷算法以及基于搜索樹構(gòu)造的診斷算法在內(nèi)的三種在理論框架、設(shè)計實現(xiàn)原理以及適用性方面均不同的系統(tǒng)性的IC故障診斷方法,并將其適用性拓展至IC故障與全局干擾并存情形。最后,對傳感器進行了物理實現(xiàn)并搭建了實驗臺,通過實驗驗證了三種IC故障診斷算法診斷多種IC故障情形的有效性及對全局干擾的魯棒性。第五章在第四章內(nèi)容的基礎(chǔ)上研究了CAN復(fù)雜拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中IC故障的診斷。首先分析了復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征和分布式傳感器測量結(jié)果融合及錯誤事件元組模式表述方法。在分析初始傳感器布署方法必要性基礎(chǔ)上研究了網(wǎng)絡(luò)對不同類型IC故障的可診斷性。其次,基于現(xiàn)有傳感器對網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點生成的錯誤事件元組模式開發(fā)了過濾搜索算法完成支路IC故障的診斷和干路IC故障的推導(dǎo)。然后,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障診斷結(jié)果界定對干路IC故障不能完全診斷的子網(wǎng)絡(luò),并提出最優(yōu)傳感器布置策略對子網(wǎng)絡(luò)添加最少數(shù)目的傳感器以實現(xiàn)其對IC故障的完全可診斷。最后,通過實驗驗證了過濾搜索算法診斷多種IC故障情形的有效性以及最優(yōu)傳感器布置策略在以最少數(shù)目傳感器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對IC故障完全診斷方面的有效性。第六章對本論文工作進行了總結(jié),對研究的創(chuàng)新點進行了闡述,并對進一步可以開展的研究工作進行了展望。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP393.1;TP273
【部分圖文】：

圖１．１?ＣＡＮ節(jié)點物理層連接示意Ｗ??ＣＡＮ協(xié)議基于具有沖突檢測機制的載波偵聽多路訪問和優(yōu)先級仲裁媒體訪問控制定??義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。ＣＡＮ物理層電路連接如圖１．１所示，各節(jié)點通過低成本的??雙絞線等物理介質(zhì)相連接，以短數(shù)據(jù)長度格式基于高速串廳接口實現(xiàn)多主站和點對點通??信。毎ｔ節(jié)點均包含控制器和收發(fā)器，控制器執(zhí)行位發(fā)送和接收以及定時控制，收發(fā)器負(fù)??責(zé)節(jié)點與總線之間的信號轉(zhuǎn)換，兩者通過發(fā)送端口?Ｔｘ和接收端口?Ｒｘ進行數(shù)據(jù)交互�？偩�??采用ＣＡＮ＿Ｈ＊ＣＡＮ＿Ｌ之間的差分信號傳輸報文以減少噪聲源的干擾，其傳輸２Ｖ差分??信號時邏輯狀態(tài)為顯性，否則為隱性，且兩端的終端電阻可以防止信號反射引起的節(jié)點接??收信號質(zhì)量的下降？７１。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了幀格式、總線仲裁機制、錯誤撿測處理和界定??Ｉ??

１．２．２基于統(tǒng)計模型的研究??研究表明網(wǎng)絡(luò)中各故障干擾源相互獨立，且在時間上服從泊松分布［２９￣３２］，這構(gòu)成了??使用統(tǒng)計模型對故障以及對網(wǎng)絡(luò)錯誤響應(yīng)建模的基礎(chǔ)。從錯誤表現(xiàn)形式上看，如圖１．３所??示，網(wǎng)絡(luò)中存在單一錯誤和爆發(fā)錯誤，爆發(fā)錯誤對應(yīng)強干擾區(qū)域或強故障位置。為了描??述這種錯誤情況，在綜合考慮錯誤頻率和嚴(yán)重程度的基礎(chǔ)上，建立了廣義泊松模型［３３１：??Ｘ⑷＝沾，其中Ｘ⑴是時間間隔ｔ〇，?內(nèi)的錯誤個數(shù)，ｉＶ⑴是參數(shù)為Ａ的泊松過程，??即ＰｒｆｉＶ⑴＝Ａ，｝?＝?汸表示一次故障到達產(chǎn)生的錯誤個數(shù)，其取值為：??ｆｗ．，以概率??Ｖｉ?＝?＜?（１．１）??以概率１?—（Ｖ??式中，〃為服從幾何分布的離散隨機變量，且尸７和＝Ａ＿）＝知‘２（１?—？參數(shù)７），廠及??ｎ的取值都需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前環(huán)境確定。此外

ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)在遭受１Ｃ故障時，根據(jù)１Ｃ故障發(fā)生位置和發(fā)送節(jié)點的不同，網(wǎng)絡(luò)中的錯??誤呈現(xiàn)不同的類型。如圖１．４所示，通過劃分兩種錯誤事件類型，可以使用廣義零膨脹泊??松模型（ＧＺＩＰ）對時間窗７＾內(nèi)錯誤個數(shù)進行建模１３８，３９１。ＧＺＩＰ模型如下式所示：??［Ｐ（ｘ?＝?〇）?＝?１?－?Ｅ?＋?Ｅ?＾￣ｆＨ??＜?２?ｉ＝１Ｔ?（１－２）??式中，Ａ，及；＾２，?／ｉ，及／／２分別表示兩種錯誤類型的發(fā)生概率和均值，其點估計值可以通過??最大似然估計法計算：??＜?Ｎｔ??彳＋１?＝忐Ｅ郵丨Ｖ）??９－１??Ｎ＇ｆ??＜?－?Ｐｒ（ｉ＼Ｘｒ〇ｋ）?ｉ?ｅ?｛１，２｝?（１．３）??＾???Ｎｒ??
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本文編號：2843372