網絡控制系統(tǒng)實驗平臺建設與算法設計.pdf

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

2、是進行網絡控制系統(tǒng)分析與設計的關鍵。 網絡控制本質上是一種應用技術研究，網絡控制算法設計應立足于對原有成熟控制算法進行針對網絡環(huán)境的適應性修改和補充。為此，本文以網絡技術在控制系統(tǒng)設計中的實際應用為出發(fā)點，探討建立在數據網絡基礎上的控制系統(tǒng)設計理念，設計并開發(fā)了基于以太網的網絡化運動控制實驗平臺，研究基于網絡的控制系統(tǒng)設計方法，并進行了實物驗證。 論文的主要內容包括： 1．在深入研究網絡環(huán)境下時延的組成與產生機理

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

4、于以太網的網絡化運動控制實驗平臺(EthernetNetworked Motion Control Open Platform)。系統(tǒng)選用電機速度伺服控制系統(tǒng)作為網絡控制的目標對象，采用高性能數字信號處理器設計實現了內含以太網接口的電機驅動器網絡化節(jié)點；設計了可方便實現各種控制算法的基于PC機的網絡控制器；設計了網絡流量干擾節(jié)點，可對網絡擁塞程度實現定性控制；設計實現了圖形化網絡數據監(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、現出網絡控制系統(tǒng)的實際問題，為網絡控制的算法研究創(chuàng)建了一個良好的實驗環(huán)境。 3．針對網絡控制系統(tǒng)中數據傳輸的多周期時延問題，提出了一種在不改變現有基于模型的極點配置控制方法框架的前提下，通過預設網絡時延，計算出一組待選控制輸出序列，在執(zhí)行器端附加數據選擇器，根據控制回路實測時延，選擇對應控制輸出量的控制策略。通過與PID等算法在不同網絡擁堵環(huán)境下的實驗對比表明，該方法可在一定程度上解決網絡不確定時延問題。 4．通過對網絡

6、控制系統(tǒng)數據更新過程的深化認識，提出了一種網絡環(huán)境下的模型預測控制改進算法，利用預測控制理論在控制時域內的滾動優(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，能夠較好地解決網絡環(huán)境的多周期時延問題。通過在網絡實驗平臺實際環(huán)境下的實驗結果驗證了該方法的有效性。 5．通過對網絡控制系統(tǒng)特征的分析，闡明了工業(yè)IT是工業(yè)控制系統(tǒng)設計未來發(fā)展的方向，提出了基于網絡數據傳輸建立工業(yè)控制虛擬回路的思想，建