Estudo dos algoritmos Welch-Lynch (FTM), Fault-Tolerant Average (FTA) e filtro de Kalman (FK) para sincronização de relógios e suas influências sobre um sistema de controle

Autor: Eloy Martins de Oliveira Júnior
Jazyk: portugalština
Rok vydání: 2010
Zdroj: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEInstituto Nacional de Pesquisas EspaciaisINPE.
Druh dokumentu: masterThesis
Popis: O problema da sincronização de relógios pode aparecer em vários contextos diferentes, principalmente em aplicações complexas e altamente integradas, como um satélite artificial, integram a computação, comunicação e o controle. No contexto de sistemas de tempo real, a composição requer que à aplicação seja especificada tanto no domínio lógico quanto no domínio temporal. Para garantir os requisitos temporais e um comportamento consistente e estável é necessário um estudo mais aprofundado de sincronização de relógios em um sistema distribuído de tempo real. Este trabalho tem por objetivo principal estudar algoritmos de sincronização de relógios e suas influências sobre um sistema de controle. Para isto, foram escolhidos: 1) o algoritmo de sincronização de relógios Welch-Lynch (FTM Fault-Tolerant Mid-Point); 2) Filtro de Kalman; 3) FTA (Fault-Tolerant Average); 4) Duas arquiteturas de controle distribuído (Federada e Integrada). Nas duas arquiteturas de controle utilizadas foram analisados e simulados os efeitos das imperfeições do relógio no sistema. Na arquitetura de controle federada a malha de controle não está em rede e na arquitetura de controle integrada a malha de controle está em rede. Para a simulação foi usada uma ferramenta de simulação chamada TrueTime, baseada em Matlab/Simulink e o Microsoft Excel. Variando os parâmetros de deriva e viés inicial do relógio, foram feitos os seguintes casos de simulação: 1) Simulação com o Microsoft Excel dos Algoritmos Welch-Lynch e FTA, para análise e comparação; 2) Sincronização de Relógios utilizando-se do Welch-Lynch em um sistema de controle com arquitetura federada com barramento de comunicação TDMA; 3) Sincronização de Relógios com Filtro de Kalman em um sistema de controle com arquitetura federada com barramento de comunicação TDMA; 4) Sincronização de Relógios utilizando-se o Welch-Lynch em um sistema de controle com arquitetura integrada com os barramentos de comunicação TDMA e Ethernet. Estes estudos de caso possibilitaram analisar diversos casos de sincronização de relógios, e as várias influências que os relógios podem causar no sistema de controle e na congruência dos dados. Concluiu-se que: 1)A arquitetura de controle Federada é muito mais robusta a erros de relógios que a arquitetura de controle Integrada que é mais sucetivel a erros; 2) O algoritmo Welch-Lynch não garante a correção de erros com viés inicial; 3) O Filtro de Kalman corrigiu melhor erros de viés inicial; 4) O FTA possui um desempenho melhor quando o sistema possui mais de 7 relógios a se sincronizar; 5) Os três algoritmos, Welch-Lynch, FTA e Filtro de Kalman corrigiram muito bem o erro de deriva de relógio. Os Algoritmos Welch-Lynch, o FTA e o Filtro de Kalman são três métodos muito bons, desde que respeitadas as condições e restrições impostas pelo sistema. Neste trabalho os seus resultados foram muito bons. Com os algoritmos foi possível simular, analisar e verificar de uma forma geral, suas suposições, suas vantagens e desvantagens e a precisão alcançada em cada caso de sincronização.
The clock synchronization problems can appear in several different contexts, mainly in complex applications and highly integration, as an artificial satellite, which integrate the computer, communication and control systems. In the real time systems context the composition requires that the application is specified in both logical domain and in the temporal domain. To ensure the timing requirements and a consistent and stable behavior is necessary to further study the synchronization of clocks in a distributed real time system. This work intends to study the clock synchronization algorithms and their influences on a control system. For do this, we chose: 1) The Welch-Lynch (FTM Fault-Tolerant Mid-Point) clock synchronization algorithm; 2) Kalman Filter; 3) FTA (Fault-Tolerant Average); 4) Two Distributed Control System Architecture (Federated and Integrated). We used two different control architectures to analyze and simulate the effects of imperfections of clock in the system, a Federated Control Architecture (the control loop is not networked) and an Integrated Control Architecture (the control loop on the network / Networked Control System). For the simulation was used a TrueTime toolbox, based on Matlab/Simulink and the Microsoft Excel. By varying the parameters of drift and offset of the clock, were made the following cases of simulation: 1) Simulation with Microsoft Excel of a FTM Algorithm and a FTA algorithm for review and comparison; 2) Clock Synchronization using the Welch-Lynch Algorithm in a federated control system architecture with TDMA databus; 3) Clock Synchronization with Kalman Filter technique in a federated control system architecture with TDMA databus; 4) Clock Synchronization using the FTM Algorithm in a integrated control system architecture with a TDMA and Ethernet databus. These case studies made it possible to analyze several cases of clock synchronization, and the various influences that the clock errors may cause the clocks in the control system and in the data congruence. It was concluded that: 1) The Federated control architecture is much more robust to clock errors that integrated control architecture that is more susceptible to clock errors; 2) The FTM algorithm does not guarantee the convergence with initial errors; 3) The Kalman Filter was best corrected with the initial errors; 4) The FTA has a better performance when the system has more than 7 clocks to synchronize; 5) The three algorithms, FTM, FTA and Kalman filter corrected very well the error of clock drift. The FTM, FTA and Kalman Filter algorithms are three good methods to synchronize clocks, since it the constraints and conditions are respected. In this work the results of three algorithms are very good. With the algorithms were simulated, analyzed and verified, in general, theirs assumptions, advantages, disadvantages and the precision achieved of each case simulated.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
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