網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與算法設(shè)計(jì).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(chǎng)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(jì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(diǎn)。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(diǎn)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(shí)延等對(duì)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(jì)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(jì)應(yīng)立足于對(duì)原有成熟控制算法進(jìn)行針對(duì)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(jì)中的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，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(jì)理念，設(shè)計(jì)并開發(fā)了基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了實(shí)物驗(yàn)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(shí)延的組成與產(chǎn)生機(jī)理

3、基礎(chǔ)上，指出回路總時(shí)延是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。針對(duì)回路總時(shí)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(jì)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(shí)延單周期情況下，二者基本一致，而在網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，因此本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基

4、于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(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(duì)象，采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)含以太網(wǎng)接口的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)化節(jié)點(diǎn)；設(shè)計(jì)了可方便實(shí)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(jì)了網(wǎng)絡(luò)流量干擾節(jié)點(diǎn)，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)擁塞程度實(shí)現(xiàn)定性控制；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了圖形化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)視系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)顯示控制系統(tǒng)狀態(tài)曲線。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可真實(shí)展

5、現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)際問題，為網(wǎng)絡(luò)控制的算法研究創(chuàng)建了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。 3．針對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘀芷跁r(shí)延問題，提出了一種在不改變現(xiàn)有基于模型的極點(diǎn)配置控制方法框架的前提下，通過預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，計(jì)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(shí)測(cè)時(shí)延，選擇對(duì)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(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，該方法可在一定程度上解決網(wǎng)絡(luò)不確定時(shí)延問題。 4．通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)

6、控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新過程的深化認(rèn)識(shí)，提出了一種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的模型預(yù)測(cè)控制改進(jìn)算法，利用預(yù)測(cè)控制理論在控制時(shí)域內(nèi)的滾動(dòng)優(yōu)化作用，計(jì)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(shí)延問題。通過在網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。 5．通過對(duì)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(jì)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