工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議的建模與仿真分析.pdf

1、工業(yè)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS是計算機、通信、儀表和控制技術相結合的產物，適應了工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網絡化和智能化的要求，已成為控制技術研究領域的熱點。但現(xiàn)在現(xiàn)場總線的研究卻不能很好地滿足實際工程的需要，很多具有挑戰(zhàn)性的問題急迫需要解決。同時現(xiàn)場總線研究工具功能的局限性也在很大程度上制約了其研究工作的開展。本文從現(xiàn)場總線的研究工具入手，在網絡通信協(xié)議層面上對現(xiàn)場總線進行了研究和探索。本文的主要工作和貢獻如下： 1. 首先針對工業(yè)控

2、制領域的發(fā)展，介紹了應用日益廣泛的現(xiàn)場總線，總結了現(xiàn)場總線的特點和實時性要求。通過對現(xiàn)場總線通信協(xié)議及其研究現(xiàn)狀的分析，指出了現(xiàn)場總線研究方面存在形式化描述不足的問題，提出了結合Petri網和Matlab強大功能的新型研究方法。 2. Petri網作為圖形化的數(shù)學建模工具，已被廣泛用來描述和分析復雜通信協(xié)議。而目前專門針對Petri網設計的仿真軟件大都是非商業(yè)性的，仿真能力有限。Matlab作為一種工程計算及系統(tǒng)仿真等方面的大型

3、商業(yè)軟件，在仿真能力、擴展性及服務支持上有著明顯的優(yōu)勢。為此，提出了一種利用Matlab/Stateflow對Petri網模型進行仿真的方法。 3. 在具體介紹了FF總線的基礎上，建立了該協(xié)議的DSPN模型，運用介紹的方法建立了FF總線協(xié)議在Matlab/Stateflow下的仿真平臺模型，并運用該模型對總線性能進行了仿真分析。針對FF總線協(xié)議中調度表的構造問題，介紹了單調速率算法。同時針對該算法的不足，引進了ERM算法，并給出

4、了ERM算法的可行性分析。 4. 在具體介紹了CAN總線協(xié)議的基礎上，建立了該協(xié)議的DSPN模型和Matlab/Stateflow下的仿真平臺模型。并運用該模型對總線性能進行了仿真分析。為保證CAN總線中信息傳輸?shù)膰栏駥崟r性,引入了TDMA調度機制,并且混合了EDF調度算法來調度軟實時信息。該混合算法通過給硬實時信息保留特定時間域的方法,來滿足硬實時信息的嚴格實時性要求，該算法可以充分保證系統(tǒng)信息的實時性要求。 5. 具

5、體介紹了一種新型總線協(xié)議——FTT-CAN協(xié)議。引進了一種保證后備主節(jié)點和活動主節(jié)點運行完全同步的方法, 并用狀態(tài)機進行了描述。根據FTT-CAN總線的特點，建立了其DSPN模型和對應的Matlab/stateflow仿真平臺模型，并運用該模型對總線性能進行了仿真分析。在FTT-CAN中,由于錯誤可能導致后備節(jié)點需要在線更新SRT表以達到和活動主節(jié)點完全一致，而協(xié)議中并沒有保證后備節(jié)點SRT表更新的相關機制。為此本文提出了一種保證后備節(jié)