實(shí)時(shí)以太網(wǎng)下多軸運(yùn)動(dòng)控制的同步問題研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)中應(yīng)用共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求也與日俱增。近些年，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已越來越多的應(yīng)用于基于因特網(wǎng)的遠(yuǎn)程操作中，并逐漸拓展到諸如高檔數(shù)控系統(tǒng)和無軸印刷控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:具有可擴(kuò)展性好、可靠性高以及遠(yuǎn)程控制能力等優(yōu)點(diǎn);同時(shí)，它們能夠解決接線復(fù)雜和傳輸距離限制等問題，以及顯著減少安裝、重新配置和維護(hù)的時(shí)間及其成本。但是，實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)同步、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲等網(wǎng)絡(luò)影響因素給控制網(wǎng)絡(luò)下的運(yùn)

2、動(dòng)控制，尤其是高精度的多軸協(xié)調(diào)控制，帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　 本學(xué)位論文以在高檔數(shù)控系統(tǒng)和無軸印刷機(jī)中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)為應(yīng)用背景，研究網(wǎng)絡(luò)下多軸運(yùn)動(dòng)的同步問題。針對(duì)制造領(lǐng)域的傳感器、執(zhí)行器和運(yùn)動(dòng)控制器之間采用的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，即實(shí)時(shí)以太網(wǎng)，將多軸運(yùn)動(dòng)控制的同步問題解耦為時(shí)鐘同步和運(yùn)動(dòng)同步兩個(gè)層面，著重解決如下三個(gè)問題:1.設(shè)計(jì)和開發(fā)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議?？芍貥?gòu)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái);2.建模時(shí)鐘同步過程，設(shè)計(jì)時(shí)鐘同步算法實(shí)

3、現(xiàn)級(jí)聯(lián)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)中所有從節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘同步精度量級(jí)為幾十個(gè)納秒，同時(shí)降低誤差增長(zhǎng)率，增加級(jí)聯(lián)系統(tǒng)中可攜帶的從節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù);3.設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的多軸運(yùn)動(dòng)同步策略時(shí)，使算法分布運(yùn)行于各節(jié)點(diǎn)中，同時(shí)還要考慮網(wǎng)絡(luò)中諸如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略等影響因素，并證明全局系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。本文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果如下:
　　 一、設(shè)計(jì)和開發(fā)了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)下的開放式仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過這些平臺(tái)，可以快速的實(shí)現(xiàn)基于各種實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議的多軸運(yùn)動(dòng)

4、控制系統(tǒng)，為后面提出的時(shí)鐘同步算法和多軸運(yùn)動(dòng)同步算法提供了很好的驗(yàn)證平臺(tái)。尤其是設(shè)計(jì)的開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭建時(shí)僅需要在相同的硬件設(shè)施上配置相關(guān)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)協(xié)議棧，從而顯著降低開發(fā)時(shí)間和成本。給出的兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例說明了設(shè)計(jì)的開放式仿真和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在研究中的可重構(gòu)性和有效性。
　　 二、針對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)同步所需的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)——時(shí)鐘同步，深入研究了基于IEEE1588的時(shí)鐘同步策略。該策略基于頻率補(bǔ)償機(jī)制和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)透明

5、時(shí)鐘機(jī)制，提出了一種實(shí)時(shí)同步協(xié)議來將這些時(shí)鐘同步機(jī)制融入到實(shí)時(shí)以太網(wǎng)通信協(xié)議中。然后在對(duì)整體時(shí)鐘同步過程進(jìn)行建模和分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種最優(yōu)PI時(shí)鐘伺服，以便能最小化時(shí)鐘同步誤差的積分平方誤差。再者，通過分析長(zhǎng)級(jí)聯(lián)路徑的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)中時(shí)鐘同步誤差累積的原因，提出了一種基于卡爾曼濾波器的PI時(shí)鐘伺服，以補(bǔ)償由時(shí)間戳量化效應(yīng)帶來的誤差累積現(xiàn)象，進(jìn)而降低級(jí)聯(lián)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)中時(shí)鐘同步誤差的增長(zhǎng)率。最后，在設(shè)計(jì)的開放式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)提出的各種時(shí)鐘同

6、步算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示提出的時(shí)鐘同步算法可以使從節(jié)點(diǎn)4測(cè)量到的峰到峰抖動(dòng)僅為59.37ns，此性能可以與當(dāng)下代表性研究成果相媲美，并且是在低成本晶振的基礎(chǔ)上獲得的。同時(shí)，算法還能夠顯著降低時(shí)鐘同步誤差的增長(zhǎng)率，從而增加級(jí)聯(lián)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)中可攜帶的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目。
　　 三、在實(shí)現(xiàn)的高精度時(shí)鐘同步的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)同步問題，提出了分布式位置同步控制器和分布式軌跡跟蹤控制器。在控制器的設(shè)計(jì)過程中，不僅考慮

7、了不同軸之間不同的負(fù)載慣量和干擾因素，更重要的是還考慮了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)中消息調(diào)度策略和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲等主要影響因素。同時(shí)，提出在分布式位置同步控制器和軌跡跟蹤控制器中采用運(yùn)動(dòng)消息估計(jì)器來估計(jì)當(dāng)前時(shí)刻的位置誤差，從而降低網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲對(duì)運(yùn)動(dòng)同步精度的影響。并證明這些帶延遲補(bǔ)償?shù)姆植际轿恢猛娇刂破骱蛙壽E跟蹤控制器是漸近穩(wěn)定的，最后從仿真和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)提出的運(yùn)動(dòng)同步算法進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 本文所設(shè)計(jì)的高性能時(shí)鐘同步算法和運(yùn)動(dòng)同步算法為實(shí)時(shí)