網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實驗平臺建設(shè)與算法設(shè)計.pdf

1、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是指建立在數(shù)字總線基礎(chǔ)之上的控制系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場總線控制的推廣應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)控制這一融合最新通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的計算機(jī)控制技術(shù)已越來越引起人們的廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)相比，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有可靠性高、系統(tǒng)連線少、結(jié)構(gòu)靈活、通信協(xié)議開放等諸多優(yōu)點。然而，由于控制網(wǎng)絡(luò)采用串行數(shù)字通信方式，各節(jié)點將按照協(xié)議規(guī)范共享網(wǎng)絡(luò)通信資源，從而不可避免將把網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中諸多不確定因素引入控制系統(tǒng)。如何在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，充分考慮網(wǎng)絡(luò)時延等對控制系統(tǒng)的影響，

2、是進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計的關(guān)鍵。 網(wǎng)絡(luò)控制本質(zhì)上是一種應(yīng)用技術(shù)研究，網(wǎng)絡(luò)控制算法設(shè)計應(yīng)立足于對原有成熟控制算法進(jìn)行針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)性修改和補(bǔ)充。為此，本文以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制系統(tǒng)設(shè)計中的實際應(yīng)用為出發(fā)點，探討建立在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的控制系統(tǒng)設(shè)計理念，設(shè)計并開發(fā)了基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制實驗平臺，研究基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)設(shè)計方法，并進(jìn)行了實物驗證。 論文的主要內(nèi)容包括： 1．在深入研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下時延的組成與產(chǎn)生機(jī)理

3、基礎(chǔ)上，指出回路總時延是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計考慮的重點。針對回路總時延表現(xiàn)為單周期和多周期兩類特性下，討論網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與經(jīng)典計算機(jī)采樣控制系統(tǒng)之間的相似之處與區(qū)別，定性指出在網(wǎng)絡(luò)時延單周期情況下，二者基本一致，而在網(wǎng)絡(luò)時延多周期情況下，采樣周期的多頻切換使網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)表現(xiàn)為不同采樣控制系統(tǒng)間的跳變，而這種切換過程是導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的重要原因。 2．由于實驗平臺在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中具有非常重要的現(xiàn)實意義，因此本文設(shè)計實現(xiàn)了一個基

4、于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動控制實驗平臺(EthernetNetworked Motion Control Open Platform)。系統(tǒng)選用電機(jī)速度伺服控制系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)控制的目標(biāo)對象，采用高性能數(shù)字信號處理器設(shè)計實現(xiàn)了內(nèi)含以太網(wǎng)接口的電機(jī)驅(qū)動器網(wǎng)絡(luò)化節(jié)點；設(shè)計了可方便實現(xiàn)各種控制算法的基于PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)控制器；設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)流量干擾節(jié)點，可對網(wǎng)絡(luò)擁塞程度實現(xiàn)定性控制；設(shè)計實現(xiàn)了圖形化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)，動態(tài)顯示控制系統(tǒng)狀態(tài)曲線。該實驗平臺可真實展

5、現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實際問題，為網(wǎng)絡(luò)控制的算法研究創(chuàng)建了一個良好的實驗環(huán)境。 3．針對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘀芷跁r延問題，提出了一種在不改變現(xiàn)有基于模型的極點配置控制方法框架的前提下，通過預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)時延，計算出一組待選控制輸出序列，在執(zhí)行器端附加數(shù)據(jù)選擇器，根據(jù)控制回路實測時延，選擇對應(yīng)控制輸出量的控制策略。通過與PID等算法在不同網(wǎng)絡(luò)擁堵環(huán)境下的實驗對比表明，該方法可在一定程度上解決網(wǎng)絡(luò)不確定時延問題。 4．通過對網(wǎng)絡(luò)

6、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新過程的深化認(rèn)識，提出了一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的模型預(yù)測控制改進(jìn)算法，利用預(yù)測控制理論在控制時域內(nèi)的滾動優(yōu)化作用，計算得到優(yōu)化控制序列矩陣，通過優(yōu)化控制序列來改善系統(tǒng)在擁堵環(huán)境下的控制效果，能夠較好地解決網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的多周期時延問題。通過在網(wǎng)絡(luò)實驗平臺實際環(huán)境下的實驗結(jié)果驗證了該方法的有效性。 5．通過對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)特征的分析，闡明了工業(yè)IT是工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計未來發(fā)展的方向，提出了基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸建立工業(yè)控制虛擬回路的思想，建