自立式流量控制阀

关键词：

自立式流量控制阀（精选四篇）

自立式流量控制阀篇1

1 令牌漏桶算法

令牌漏桶算法进行流量控制的基本思路[1,2]是:令牌漏桶是一个上限为TCmax的计数器,一方面有分组到达时,漏桶计数值TCi会增大,一旦TCi> TCmax,则认为分组到达的过快,新到达分组因溢出而被丢弃; 另一方面漏桶计数值TCi按照固定速率Vi在不断减小,TCi减小到零时则不再减少。正常情况下,分组到达的平均速率与漏桶流出的速率Vi相等,设FGi是同一业务流中相邻分组的间隔,TCo是在时间FCi内漏桶的流出值,即Vi= TCo/ FGi。考虑到分组连续到达时非均匀传输,可能出现时延抖动Jitter,不过抖动总量受限,连续突发抖动之和≤Jmax,设FG是相邻分组的平均间隔,由此可确定漏桶上限值TCmax[3,4]

令牌漏桶算法的模型如图1 所示,图中TCo为时间间隔2 × FG内漏桶的流出量,Jmax等于FG/4,Ji是每次分组的时延抖动。

由图1 可知,TCi初始值为0。当分组1 到达后TCi为TCo/2; 由于分组2 到达时间迟于预期,所以分组2 到达前TCi已降为0,分组2 到达后TCi为TCo/2;分组3 和分组4 均提前到达,因而TCi持续增大; 当分组5 到达时,若接收分组5,TCi会超过漏桶上限TCmax,按照漏桶规则,分组5 被丢弃; 分组6 延迟到达,分组6 到达后TCi为TCo/2。

2 流量控制机制的处理过程

在式( 1) 中,参数FG和Jmax是系统设置的。运行过程中,根据到达分组的长度Li、FGi和FGo来更新漏桶计数值TCi。按照每次分组到达的时间,得出分组传输间隔FGi; 通过Vi与FGi相乘得出,时间间隔FGi内可输出的信息长度TCo。比较TCo与Li,如果TCo≥Li,则当前到达分组被接收; 反之漏桶计数值TCi变大,若TCi超过TCmax,则当前到达分组被丢弃。上述处理过程是按照令牌漏桶算法直接得出的,具体到FPGA实现时复杂度较高。

由式( 1) 可看出,若FGi与FG相等或成比例,则可大幅简化实现过程。进一步分析可知,FGi是单次分组时间间隔,FG是平均分组间隔,若有N个分组连续到达,则N个分组的时间间隔FG'i近似等于N ×FG,因此式( 1) 可等效为

其中,TC'o是N个分组的长度总和。从式( 3) 可知,漏桶输出信息长度TC'o对应的时间是FG'i,则比较N个分组的累计间隔时间 ΔT与FG'i的大小,若 ΔT ≥FG'i,以TC'o为单位漏桶计数值TC'i自减; 若 ΔT <FG'i,将实际分组总长度累加到TC'i上。处理过程省略了乘法运算,同时,从式( 1) ~ 式( 3) 转换后,算法只与N个分组的总长度有关,而不关心单个分组的长度,所以式( 3) 同样适用于变长分组传输[5]。

按照式( 3) 可推出流量控制的具体实现步骤如下:

步骤1 当新分组到达时,由全局时钟给出当前时间Tnow,并与时间寄存器中“上一分组”到达时间Ti取差值 ΔT( ΔT = Tnow- Ti) 。注: “上一分组”是指累加过程的第一个分组;

步骤2比较 ΔT与FG' + Jmax,若 ΔT ≥ FG' +Jmax,表示分组实际到达间隔大于漏桶流空的时间,即当前分组到达时漏桶计数值TCi为0,新分组被接收。分组接收后,更新对应寄存器内容,将漏桶计数值TCi更新为当前分组长度Li,“上一分组”到达时间Ti更新为当前时间Tnow;

步骤3若ΔT<FG'+Jmax,则再比较ΔT与FG'i。若FG'i≤ΔT,新分组被接收,因为单个分组长度Li不会>N个分组的总长度TC'o。随后按照TCi与TC'o的大小关系更新对应寄存器内容。当TCi≤TC'o时,即当前分组到达时漏桶计数值TCi为0。寄存器更新过程同步骤2;若TCi>TC'o,将TCi更新为TCi-TC'o+Li,“上一分组”到达时间Ti更新为当前时间Ti+FG'i,即Tnow-ΔT+FG'i;

步骤4若FG'i>ΔT,则比较TCi+Li与TC'max。若TCi+Li>TC'max,表示分组实际到达数目过多,超出带宽允许的范围,新分组被丢弃,对应寄存器内容不更新。若TCi+Li<TC'max,当前分组被接收,漏桶计数值TCi更新TCi+Li,“上一分组”到达时间Ti不更新。

3 流量控制模块的参数选择与实现

3. 1 分组长度的选择

速率自适应通信系统中传输的是变长分组( 64 ~1 500 Byte) ,因此每个业务流对应的参数均不同。为了降低FPGA处理的复杂度,将分组按照长度分为5个区间[64,127]、[128,255]、[256,511]、[512,1 023]、[1 024,1 500][6],N值取2 ~ 4,对应到TC'o取值为256、512、1 024、2 048 和4 096。TC'o确定后,TC'max也就确定了。

3. 2 参数寄存器的处理

速率自适应通信系统以分组目的地址( 16 位) 为标识对业务流进行区分,业务流的传输特性通过控制帧周期性更新。FPGA实现时,通过RAM存储业务流的参数寄存器,以分组目的地址对RAM进行索引来调用和更新相应地址内的参数,通过RAM存储参数寄存器可节省大量的逻辑资源[7]。RAM每一地址项内的具体格式如表1 所示。其中,TC'o和FG'i是N个分组的总长度和分组间隔; Jmax是分组最大时延抖动。上电后,Ti和TCi均为0,其余参数按照预置值初始化,业务传输过程中不断更新。

3. 3 全局时钟的选择与设计

漏桶算法是根据时间间隔进行流量控制的,因此时钟计数器的最大值和时间精度对流量控制效果有较大影响。

时钟精度决定了流量控制的准确性。通过实验测试表明,时间精度与分组间隔的比值小于1 /100便可较准确的控制流量,因允许分组时延抖动,进一步提高时钟精度也无较大意义。速率自适应通信系统的极限速率是300 Mbit· s- 1,分组间隔最小为256 Byte,即分组间隔时间最小为6. 83 μs,发射机的工作时钟是96 MHz,计数器每4 个时钟周期自增1,计数间隔0. 042 μs,相对比值1 /162 可满足精度要求。

流量控制模块在新分组到达时被触发,这样的设计有利于减少功耗,使得没有分组到达时流量控制模块处于空闲状态。但时钟计数器的位宽是有限的,当计数器全为1 时会清0 而重新计数,如果业务流前后两个分组的间隔时间过长,则从时钟计数器的角度看,后到分组可能比先到分组还要“早”,这时可能由于误判而出现正确分组被丢弃的现象。单纯增加时钟计数器的位宽只能降低问题出现的概率,而不能消除问题,尤其对于卫星系统,流量控制模块需要连续工作几年甚至十几年,增加计数器位宽不能解决问题,必须要周期性刷新流量控制模块中上一分组到达时间Ti。通过周期性刷新使上一分组到达时间Ti与时钟计数器的当前时间维持在一个计数周期内。设计中将时钟计数器按照最高位不同细分为两个计数周期,每次最高位翻转后触发一次刷新。由于刷新过程涉及所有RAM地址,处理时间长,为了与流量控制过程不冲突,刷新工作在没有分组到达时进行。

为降低刷新过程的资源消耗,设计中使刷新工作与流量控制工作采用相同的模块。流量控制工作时,通过工作使能信号en_frame接收目的地址addr_i和新到分组长度Li,模块按照漏桶算法对分组进行判断,流控使能en_traffic有效的同时,将流控结果result_traffic输出,其中result_traffic为1 时,表示当前分组可被接收,为0 时当前分组被丢弃。

刷新工作时也通过工作使能en_frame接收目的地址addr_i和新到分组长度Li,不同之处在于刷新时将新到分组长度Li设置为0,这样在更新上一分组到达时间Ti时不会对漏桶计数值TCi产生影响。为防止流量控制机制的步骤4 出现而导致刷新Ti失败,时钟计数器的最高位翻转后不是立刻开始刷新,而是等待一段时间( 大于系统最长分组间隔10. 9 ms) 后开始,这样即使出现刷新失败,Ti与时钟计数器的当前时间也在一个计数周期内。对应到流控结果result_traffic,由于刷新过程中,没有分组到达,所以刷新时对应流控结果的下一级模块不会响应。

速率自适应通信系统的最小速率是3 Mbit·s- 1,分组间隔最大为4 096 Byte,分组间隔时间最大为10. 9 ms,全部刷新一次共需时间约5. 9 ms ( 216× 9 ×0. 01 /1 000) 。按照计数间隔0. 042 μs,可推算出计数器位宽为23 位时,计数总时长约352 ms,再补充1 位翻转位,共24 位可满足计数时长的要求。

3. 4 流量控制模块的实例分析

对图1 中分组到达时间和间隔进行设定,设分组1 到达时刻510 ,分组2 到达时刻628 ,分组3 到达时刻640,分组到达时刻696,分组5 到达时刻702,分组6 到达时刻830。分组长度Li为128 Byte,FG为64 μs,Jmax为16 μs。按照流量控制模块参数选择与设定原则可知,FG'i为128 μs,TC'o为256 Byte,TC'max为320 Byte。按照流量控制模块的实现流程如下所述: 模块初始化后,TCi为0,Ti为0; 分组1 到达后,TCi为128,Ti为510,分组被接收; 分组2 到达后,TCi为256,Ti为510,分组被接收; 分组3 到达后,TCi为128,Ti为638,分组被接收; 分组4 到达后,TCi为256,Ti为638,分组被接收; 分组5 到达后,由于 ΔT为64,< 128,TCi自增到384 而超过了TC'max,所以分组5 被丢弃,TCi和Ti不更新,TCi为256 ,Ti为638; 分组6 到达后,TCi为128,Ti为830。按照流量控制模块实现流程对图1 策略机制进行更新如图2 所示。

从处理结果可看出: 流量控制模块的实现结果与令牌漏桶算法一致,但中间过程略有不同,这是因流量控制模块统计的是N个分组连续到达的累计时间,当实际间隔小于累计时间时,漏桶计数值可能不会减小反而越来越大。因此,参数选择过程中统计精度N不能过大,实现时N最大取4,所以时延抖动的累计有限,不会影响到系统的带宽控制。

4 结束语

本文提出的流量控制机制采用分组触发流控和多分组累计比较的方式,大幅简化了漏桶算法的实现过程,使得FPGA实现时既降低了复杂度又节省了逻辑资源。本方法应用在速率自适应通信系统中,对业务流带宽控制的实际效果理想。同时,作为一种针对变长系统的流量控制方法,也可推广到其他通信系统中。

参考文献

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自立式流量控制阀篇2

关键词：稀土萃取；PID；模糊自调整；给料流量智能控制

中图分类号： TP23 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）31-173-2

0 引言

我国作为最大的稀土生产国，不仅稀土资源的储量十分巨大，并且稀土资源种类丰富，重、中、轻品类齐全，在世界稀土市场占有重要的地位。现阶段我国稀土在生产过程中仍旧存在产品质量较低、成本较高等问题。为了有效改善这一情况，技术人员着手进行稀土串级萃取理论的优化，对给料流量进行有效控制，改变过去稀土萃取过程中破碎化，实现了稀土萃取的可控性[1]。实现给料流量的科学高效控制，需要先关技术的支持，由于大部分的技术被一些国家或者企业所垄断，难以在短时间内获取并投入到生产之中，因此我们将模糊自调整控制体系与给料流量控制工作之中。以模糊自调整体系为基础，对PID给料流量工作进行优化与升级，在很大程度上增强了给料流量控制的智能性与高效性，保证了我国稀土萃取的质量与水平，促进了稀土资源的有效开发与合理利用。

1 PID给料流量系统与数学模式构建分析

对PID给料流量系统以及数学模式构建的分析，能够帮助我们理清稀土萃取过程中给料流量控制的重点要求与核心环节，实现模糊自调整PID给料流量系统的构建。

为了保证稀土萃取工作的质量与水平，通常情况下PID给料流量系统的控制精度应控制在29-31L/min的范围之内。PID给料流量系统与闭环控制系统相似，由控制器、执行装置、反馈设备等几部分组成，在运行的过程中，根据稀土萃取过程中对原料的使用需求，对控制器的运算速度进行调整，执行装置根据相关指令对传送设备以及电机驱动阀门进行调节，反馈设备则不断进行数据信息的采集与分析，实现给料流量的实时监控，其结构原理如图1所示[2]。

在稀土萃取的过程中，为了实现PID给料流量系统的科学高效构建，提升其智能性与自动化程度，我们不断进行对PID给料流量系统数学模型的构建。从构成来看PID给料流量系统数学模型主要由信号输入、步进电机直线运动、流量输出以及反馈等几个环节组成。在PID给料流量系统数学模型的信号输入环节，通常是以单片机作为核心，由其发出脉冲信号，经由步进电机之后，形成角位移数据，为了保证这一过程的顺利进行，会对这一过程进行比例要求，公式如下：θ0=Δθ·N其中θ0为进步电机的角位移数值大小，Δθ为电机步距角，N则表示单片机脉冲输出的数量。步进电机凭借自身的结构优势，能够将角位移转化为直线移动，PID给料流量系统中的流量阀在选取的过程中，为了保证调节的精度以及灵敏度，一般使用恒压调速阀。

2 模糊自调整PID给料流量智能控制系统控制器设计

PID控制装置最初在模拟控制系统出现，传统的PID控制装置是以电子元

器件、气动装置等来实现自身的控制功能，伴随着计算机技术以及信息技术的发展，PID控制装置被转移到计算机系统中，模拟控制系统下的电子元器件、气动装置被相应的软件系统取代，成为数字PID控制器，并且形成较为完善的数学算法，呈现出良好的灵活性与控制性能[3]。为了实现模糊自调整PID给料流量智能控制系统控制器的科学高效设计，就需要相关技术人员对PID控制算法进行确定，通常情况下PID控制算法包含了位置式以及增量式两大类，在实际的使用过程中要根据控制系统自身的设计要求与使用场景，进行全面的考量，以PID控制算法为切入点，实现模糊自调整PID给料流量智能控制系统控制的有效设计。同时在控制设计的过程中，要在一定的技术框架下，将系统语言的变量转化为模糊子集，实现精确量的模糊化，实现PID控制器的模糊化处理。在对PID控制算法进行选择的基础上，实现相关算法的模糊推理，通过模糊条件语句进行模糊自调节PID控制系统控制指令的构建。通过这种上述几种方式，提升模糊自调节PID给料流量智能控制系统控制器的有效设计，使其满足稀土萃取工作相关流程的使用要求，推动我国稀土产业的健康快速发展。

3 模糊自调整PID给料流量调节系统分析

模糊自调节PID给料流量调节系统作为PID控制系统的核心构成之一，在流量控制的过程中扮演着关键性的作用，为了切实有效的推荐PID给料流量智能控制系统的有效构建。我们将以MATLAB工具箱入手，促进SIMULINK以及模糊逻辑工具箱的应用。SIMULINK作为一个软件应用系统，以动态系统为框架，对相关控制环节进行建模、仿真与分析，由于其支持连续离散以及非线性系统，因此使得其具有良好的环境适应能力与实用性能，SIMULINK在运行的过程中，为了方便用户登录实用，提供图形结构，由于SIMULINK使用递进结构，用户可以按照自身的使用习惯，依次进行操作，帮助用户对相关数据信息以及控制工作进行一定的梳理与明晰[4]。从而使得自身更为直观，实用更为便捷，用户除了使用SIMULINK自带的功能模块之外，还可以根据自身的实际使用需求，自行设置功能模块。模糊逻辑工具箱以MATLAB为前提条件，实现了计算机环境下，函数的集成处理，相关用户在使用的过的过程中，可以利用模糊逻辑工具箱所提供的相关功能，进行模糊推理系统的构建，也可以同时使用Simulink工具箱，实现模糊系统的仿真处理。与SIMULINK相似，模糊逻辑工具箱以图形用户界面作为主要的交互方式，用户可以通过更为便捷的方式来进行工具的使用。

4 模糊自调整PID给料流量智能控制系统硬件

模糊自调节PID给料流量智能控制系统硬件系统是由多个方面组成的，以电路系统为了，为了保证其稳定高效运行，电路系统通常包含了掉电保护模块、按键模块以及LED现实模块等几部分组成。借助于这几大模块，模糊自调节PID给流量智能控制系统在运行的过程中，才能够获得稳定的电力供应，因此在进行控制系统硬件设计的过程中，要立足于模糊自调节PID给流量智能控制系统硬件使用的实际需要，在现有的技术条件下，不断进行硬件系统的优化与调整，从硬件构成入手，不断提升模糊自调节PID给料流量智能控制系统的质量，增强给料流量控制系统的控制效果[5]。

5 模糊自调整PID给料流量DCS控制系统的构建

模糊自调节PID给料流量智能控制系统DCS控制系统是分布式控制系统的一个重要分支，以计算机技术结合其他相关技术，形成一定的控制体系，实现了分散控制、集中操作、分级管理的控制模式。为了保证DCS控制系统在模糊自动调节PID给料流量的自动控制，需要我们对双总线、环形的网络拓扑结构进行科学合理设置，并根据实际要求对网络节点的数量进行科学设置，并通过引进专用计算机，满足模糊自调节PID给料调节的智能化控制。

参考文献

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自立式流量控制阀篇3

无线传感器网络 (WSN) 被认为是21世纪最有影响力的技术之一。在WSN中, 媒体访问控制 (MAC) 协议的主要任务是决定节点如何接入共享信道, 保证节点不会影响彼此的数据传输, 以及在发生碰撞时采用某种竞争判决算法进行处理。因此, MAC协议控制射频模块, 处于WSN协议的底层部分, 对WSN的性能有较大影响, 是保证WSN高效通信的关键网络协议之一。

1 典型的MAC协议

在WSN中, MAC协议决定无线信道的使用方式, 在传感器节点之间有效地分配无线通信资源, 用来构建WSN系统的底层基础结构。节点无效功耗主要来自以下4个方面:空闲侦听、冲突、串扰和控制开销。目前, 减少空闲侦听主要采用工作/休眠策略制定;冲突避免主要采用RTS/CTS/DATA/ACK (请求发送/准备接收/数据/确认) 4帧握手机制。已有的MAC协议主要使用这些手段, 只是具体的实现方法不同。

IEEE 802.11 MAC协议采用CSMA/CA (载波侦听/冲突避免多址接入) 机制和随机二进制指数退避时间, 实现无线信道的共享。Wei Ye等人在2002年提出的S-MAC (Sensor-MAC) 中应用了3种新技术来减少能耗并支持自组织:节点定期睡眠以减少空闲侦听造成的能耗;邻近的节点组成虚拟簇, 使睡眠调度时间自动同步;用消息传递的方法来减少时延。为减少碰撞和避免串音, S-MAC协议采用与IEEE 802.1l类似的虚拟和物理载波侦听机制, 以及RTS/CTS通告机制, 每个节点在传输数据时, 都要经历RTS/CTS/DATA/ACK的通信过程。S-MAC协议增加了周期性侦听/睡眠机制来降低节点能耗, 邻居节点通过协商的一致性睡眠调度机制减少空闲侦听时间, 当邻居节点处于通信过程时, 空闲节点进入睡眠状态;为保证完整数据的传输, S-MAC协议利用RTS/CTS机制一次预约发送整个长消息的时间, 并把一个长消息分割成几个短消息在预约时间内突发传送。

B-MAC (Berkeley-MAC) 采用低能耗侦听 (Low Power Listening, LPL) 机制, 有效地降低了空闲侦听能耗, 同时采用干净信道评估算法对信道进行侦听, 降低了发送冲突的概率, 是一个纯粹的MAC层协议, 具有很好的重配置性和扩展性。

Z-MAC (Zebra-MAC) 是结合CSMA与TDMA的一种混合协议, 它综合了二者的优点, 克服了它们的缺点。其基本思想是通过判断网络信道的冲突层次, 在低冲突率的情况下以类似CSMA的协议运行, 在高冲突率的情况下则采用TDMA机制运行。几种MAC协议的比较如表1所示。

2 流量自适应协议的研究与设计

2.1 S-MAC协议的缺陷分析

虽然S-MAC 协议通过采用周期性侦听和睡眠机制、消息传递机制、串音避免机制和自适应侦听机制使各方面性能有很大提高, 但仍存在如下不足:

(1) 固定统一的睡眠调度机制。在WSN中, 不同节点担当不同作用, 相同作用节点的通信量在不同时刻也不同。S-MAC协议采用周期性的活动/休眠调度机制减少空闲监听, 周期长度是固定不变的, 节点的活动时间也是固定的。其周期长度受限于缓存大小和延迟要求, 活动时间则主要依赖于消息速率。因此也就存在一个矛盾:缓存大小和延迟要求通常是固定的, 而消息速率通常是变化的, 所以它不能很好地适应网络流量的变化。如果按照高流量负载设定占空比, 则会造成在低流量时的能量浪费;而如果按照低流量负载设定占空比, 则又会造成在高流量时的低吞吐量, 还会由于过长的数据包排队造成延时增加。并且由于每个节点的占空比都相同, 造成能量较少的节点缺少保护, 而数据流量较大的节点会由于占空比过低而发生阻塞和碰撞, 无法保证可靠及时的消息传输。

(2) 随机退避机制。在S-MAC中, 用于避免冲突计算随机退避时间的竞争窗口CW的值是固定的。在实际网络环境中, 节点的数量是动态变化的, 而信道状态也是动态变化的。当节点较少或网络负载较小时, 较高的窗口值会导致过多的空闲侦听, 从而使能量效率和信道的利用率降低;而当节点较多或网络负载较大时, 一个相对较小的窗口值会导致严重的竞争, 引起碰撞和数据重传, 同样导致信道利用率降低, 能量效率下降, 延迟增加。退避过程中, 发生冲突放弃退避时, 在下一个周期开始时需要重新计算随机退避时间以竞争信道。那么, 上次竞争到信道的节点与没有竞争到信道的节点有同样的机会进入下次竞争, 而这些没有竞争到信道的节点可能已经在上次竞争时退避了很长时间, 这种对信道的不公平访问会导致网络中节点的能量消耗不均匀, 从而出现孤岛网络, 使网络的整体寿命变短。

(3) 延时累加问题。通信模块处于休眠状态的节点检测到事件时, 必须等到通信模块转换到活动周期才能发送数据;中间节点要发送数据时, 下一跳节点可能处于休眠状态, 此时必须等待它转换到活动周期, 这必然导致数据在传输过程中的延时随着跳数的增多而增大。

2.2 基于S-MAC的流量自适应协议的设计

在流量变化较大的环境中, 要解决S-MAC的不足, 实现流量自适应协议, 需对S-MAC协议做以下改进:

(1) 竞争窗口动态调整。竞争窗口CW的大小能够根据上次数据传输的成功与否进行动态调整。当活动节点很多时, 应当使CW变大, 以减少碰撞的发生;当活动节点很少时, 应该使CW变小, 以减少空闲侦听导致的能量浪费。当节点竞争信道失败或发送数据失败时, 则认为当前网络的节点很多, 重传次数加1, 竞争窗口CW的值变为当前的两倍, 窗口根据重传次数的增加而指数增长, 以使竞争窗口逐渐脱离冲突区域, 直至到达规定的最大值CWmax;当节点发送数据成功时, 若CW≥0.5CWmax, 则认为网络流量较大, 信道竞争激烈, 发送成功后, 取0.5CWmax作为竞争窗口值, 从而通过设置较高的竞争窗口值, 来减少高流量状况下潜在的冲突;如果传输成功, CW<0.5CWmax, 则认为网络流量较小, 节点很少, 信道竞争不激烈, 重传次数置0, 同时将CW的值恢复为最小值CWmin。

(2) 退避和空闲监听时间动态调整。节点被周期性唤醒进行监听, 如果在一定时间TA内没有发生周期定时器溢出或网络冲突, 则提前结束活动周期, 进入休眠状态, 以减少能量的消耗。同时, 邻近节点的调度时间设置不同偏移且相对应, 每当邻近节点有数据需要发送或接收时, 能够及时和邻居节点进行数据传递, 从而降低节点休眠带来的延迟问题。而当信道变忙时, 退避过程中, 节点进入睡眠, 冻结退避计时器的数值, 并继续当前的退避, 等待下一个唤醒周期的到来。唤醒后, 启动计时器继续进行退避, 从当前计时器数值开始减1, 而无需重新计算退避时间。这使得上次竞争不到信道的节点以越来越短的退避时间进入下次竞争, 避免永远竞争不到信道的情况, 提供了节点对信道的公平访问, 从而保证网络中各节点的能量消耗较均匀, 延长网络的整体寿命。

(3) 动态占空比调整。引入动态占空比调整机制, 即根据节点排队数据包的数量对网络流量进行预测, 动态调整其占空比。当网络流量变大时, 在每一个侦听睡眠周期内, 把原来的一个周期划分为几个周期, 提高占空比以适应流量的增加。假设节点i的队列中有Ni个分组在排队, 计算短周期的个数Mi, 当节点i的队列中的分组数为0时, 取Mi为1, Mi的上限值Mimax是在短周期的时间全部用来发送数据、没有睡眠时间的情况下取得的:

式中, TDATA是发送一个分组所需的时间;TRTS/CTS是节点收发RTS、CTS的时间 (侦听时间减去同步包时间) ;Tsleep是节点一个周期内的睡眠时间。短周期的个数Mi=min (Ni, Mimax) , 则每个短周期的时间为Tframe= (TRTS/CTS+Tsleep) /Mi。这样, 就把一个基本的侦听睡眠周期分成了几个短的周期, 增加了一帧时间内发送数据的次数, 降低了分组延时, 避免了由于流量过大造成网络阻塞。这在负载变化环境中, 尤其是突发流量较大时, 能比S-MAC节省更多的能量, 又可保持合理的吞吐量和较好时延特性。

3 性能仿真分析

选用UC Berkley大学研发的事件驱动的和面向对象的网络仿真工具NS2作为仿真平台, 参数设置如下:随机分布的拓扑结构, 数据带宽20 kbit/s, 传输范围250 m, 包长度100字节, 发射功率0.5 W, 接收功率0.4 W, 侦听功率0.35 W, 休眠时耗电0.005 mW, 路由协议采用DSR。

图1所示为吞吐量与分组间隔之间的关系曲线图, 反映了连接时间内能够成功传输的有效数据量随分组间隔增大而变化的情况。数据分组长度是固定的, 所以分组间隔越小, 网络的数据流量越大;分组间隔越大, 网络流量越小。在图1中, 网络流量大时, 新协议的吞吐量比原协议要大, 而且提高的幅度随网络流量降低越来越小。当网络流量小到一定程度时, 这种性能改进不明显。因为网络流量小时, 分组在队列中排队等待的数目较少, 竞争窗口无需调整, 新旧协议在数据碰撞后重传的次数相差不大, 因而吞吐量均保持在一个很小的值。

图2所示为能量效率和通信节点个数之间的关系曲线图。以平均单位比特数据成功传输所需要消耗的能量衡量, 单位为J/bit。图2中, 随着节点数目的增加, 新协议在高负载下, 节能效果明显改善。这是因为改善了网络流量大时的退避机制和睡眠周期, 一个基本的侦听睡眠周期内能发送多个分组, 节省了同步帧的开销。而节点数目较少时, 网络流量不大, 数据分组发生冲突的几率相对较小, 性能改善不明显。

图3所示为平均分组时延和分组间隔之间的关系曲线图。网络延迟用不同数据流量下、10跳拓扑网络中数据的端到端平均时延来衡量对比。分组间隔较小, 即网络流量较大时, 新协议占空比随数据流量动态调整, 一个基本侦听睡眠周期分为几个小的工作周期, 在一个基本的侦听睡眠周期内传送多个分组, 减小了时延。网络流量变小时, 数据分组时间间隔变大, 成为主要时延, 而由排队等待带来的时延相对微不足道, 从而使新旧协议平均时延性能接近。

4 结束语

流量自适应协议能够根据所估计的负载情况动态调整占空比, 使数据快速传递, 在一定程度上解决了队列中排队的分组数目较多导致来不及传送而发生队列满丢包现象;改进的竞争退避机制, 使网络获得了很好的冲突避让能力, 避免了由于较多冲突带来的能量浪费, 而且也改善了节点竞争的公平性, 使网络的吞吐量得以提升, 网络性能得到一定程度的优化。与S-MAC相比, 基于S-MAC协议改进的流量自适应协议在恒定小负载低流量中性能差别不大, 但是在多节点动态变化的负载中, 尤其是突发数据流量较大时, 相比S-MAC协议可节省更多的能量, 既符合WSN低功耗、节能的设计要求, 又保证了较高的吞吐量和较短的时延特性。该协议适用于网络节点分布较为密集, 突发性数据流量比较大的网络环境。

参考文献

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某钢厂自立式钢烟囱结构设计篇4

某钢厂除尘工程, 根据通风专业要求需设置烟囱, 烟囱高度45 m, 直径4.6 m, 最高烟气温度40℃;基本风压0.35 k N/m2, 地面粗糙度为B类, 地震设防烈度6度, 地震加速度0.05g, 地震分组为第一组, 场地类别为Ⅱ类。

2 设计要点

2.1 材料选用

钢烟囱分为塔架式、拉索式、自立式烟囱。根据工程条件, 结合实际情况, 本设计采用钢烟囱。钢烟囱、检修平台、旋转爬梯的材质均采用Q235B, 其质量应符合现行国家标准GB/T 700碳素结构钢的规定。

2.2 荷载与作用

1) 烟囱的荷载与作用:a.恒载:结构自重、土压力、拉线的拉力。b.活载:风荷载、烟气温度作用、检修荷载、平台活荷载、地震作用、地基沉降等。

2) 风荷载作用。a.本工程的基本风压为0.35 k N/m2。b.自立式钢烟囱, 当其坡度不大于2%时, 应根据雷诺数的不同情况进行横风向风振验算;并应符合下列规定:用于横风向风振验算的雷诺数、临界风速和烟囱顶部风速, 应按《烟囱设计规范》的公式计算。当雷诺数小于3×105, 且烟囱顶部风速大于临界风速时, 自立式钢烟囱可不计算亚临界横风向共振荷载。当雷诺数不小于3.5×106, 且1.2倍的烟囱顶部风速大于临界风速时, 应验算其共振响应。当雷诺数不小于3×105且不大于3.5×106时, 可不计算横风向共振荷载。在验算横风向共振时, 应计算风速小于基本设计风压工况下可能发生的最不利共振响应。

3) 地震作用。a.抗震设防烈度为6度和7度时, 可不计算竖向地震作用;8度和9度时, 应计算竖向地震作用。b.水平地震作用可按现行国家标准GB 50011建筑抗震设计规范规定的振型分解反应谱法进行计算。

2.3 计算要点

1) 自立式钢烟囱的直径d和对应位置高度h之间的关系应根据强度和变形要求, 经过计算后确定, 并宜满足h≤30d的要求;否则, 应采取措施, 譬如扩大烟囱下部直径或采取减震措施等。

2) 自立式钢烟囱设计时, 应进行下列计算:a.弯矩和轴力作用下, 钢烟囱强度计算。b.弯矩和轴力作用下, 钢烟囱局部稳定性验算。c.弯矩和轴力作用下, 钢烟囱整体稳定性验算。d.地脚螺栓最大拉力计算。e.钢烟囱底座基础局部受压应力计算。f.烟道入口孔洞应力计算。

3) 钢烟囱的筒壁最小厚度应满足下列要求:a.烟囱高度不大于20 m时, 筒壁最小厚度为4.5+C。b.烟囱高度大于20 m时, 筒壁最小厚度为6+C。其中, C为腐蚀厚度裕度, 有隔热层时取C=2 mm;无隔热层时取C=3 mm。

4) 有隔热要求时, 钢烟囱应进行隔热层设置置。

5) 为避免钢烟囱出现共振现象, 在钢烟囱上部应设置破风圈。6) 钢烟囱对防腐要求比较严格, 应按规范要求进行防腐设计。7) 在荷载的标准组合效应作用下, 钢烟囱任意高度的水平位移不应大于该点高度的1/100。

8) 钢烟囱筒体钢板相邻玄带之间, 板与板的对接L接头距离应相互错开, 距离不小于300 mm, 不允许十字形交叉焊缝。

9) 烟道入口孔洞上、下应设置加强环, 并在加强环之间沿烟囱周圈设置加劲肋。

10) 钢烟囱亦应根据需要设置清扫孔、测量孔、旋转钢梯及检修平台等。

3 工程实例

3.1 计算程序简介

1) 设计依据:《建筑结构荷载规范》《建筑抗震设计规范》《高耸结构设计规范》《烟囱设计规范》。

2) 本程序中, 强度及稳定计算为烟囱底部数据;如需验算其余部位, 需自行调整程序模板。

3) 烟囱长细比按悬臂构件计算, 故长度系数取2。

4) 钢烟囱的自振周期计算对整个计算十分关键, 对常规的断面可根据规范或结构动力学公式计算, 复杂的情况建议用ANSYS建模对比。

3.2 计算实例

利用编制的计算程序, 对本工程直径4.6 m, 高度45 m自立式钢烟囱进行反复计算、比较, 最终确定其设计断面。为了节约用钢量, 采用变截面的设计方法, 烟囱下部 (高度10 m) 筒壁厚度采用12 mm, 烟囱上部 (高度35 m) 筒壁厚度采用10 mm。充分利用了材料的性能, 做到既安全又经济。钢材材质采用Q235B;检修平台宽度1 000 mm, 均布恒载1.5 k N/m2, 均布活载2.5 k N/m2;烟道入口孔洞宽度2 000 mm, 壁厚12 mm;烟囱底部锚栓直径42 mm, 材质Q235B。

3.3 计算结果分析

通过程序对本工程进行计算, 其计算结果如下:

1) 横向风振计算。

2) 竖向地震计算。

本工程抗震设防烈度为6度, 不计算竖向地震作用。

3) 截面验算。

a.强度计算。

b.局部稳定验算。

c.整体稳定验算。

4) 烟囱底部锚栓计算。

螺栓数量n=24;锚栓直径42 mm, 材质Q235B。

5) 基础局部受压应力计算。