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以太网络控制系统若干关键技术研究

2020-11-22阅读(978)

以太网络控制系统若干关键技术研究

论文摘要

随着微电子技术、计算机技术以及网络技术的发展,以太网络在工业控制领域越来越受到人们的关注,以太网络控制系统(Ethernet Control Systems, ECS)将逐渐成为工业自动控制系统的重要发展方向。ECS是计算机技术、以太网络通讯技术与控制技术发展和融合的产物,是指地域上分散的现场传感器、控制器以及执行器等控制系统组成,通过以太通讯网络进行相互间的信息交换,完成对被控对象实时控制的自动控制系统。ECS具有安装维护简便、结构灵活、通用性强、系统易于扩展和维护、软件资源丰富、通讯速率高、易于同企业信息系统集成等优点。但是,以太网络是一个对等网络,也是一个不可靠的数据传输通道,ECS中的数据通过它传输时,不仅数据包通讯时延具有随机性的特点,而且,数据包在传输过程中可能会丢失,这使得ECS的分析与设计变得复杂。传统的自动控制理论已不适用于ECS,需要探究能满足ECS稳定和动态性能的新控制策略。另外,ECS是一种新诞生的自动控制系统,要将它应用于实际,还需解决ECS节点的以太网络接口设计、ECS与企业信息系统集成等关键技术。本文首先对ECS的主要研究问题、研究状况、发展情况进行了综述；然后,在对以太网络通讯时延特性研究的基础上,对ECS的建模、稳定性、保性能控制进行了探究；最后,针对实际工业控制应用,对ECS节点的以太网络接口设计与实现、ECS与企业信息系统集成中的关键技术问题进行了探讨。本文主要的研究成果有以下几个方面：1.时滞控制系统是指作用于系统上的输入信号、控制信号与其作用下所产生的输出信号之间存在时间延迟的一类控制系统。针对ECS单数据包传输,数据传输中没有数据包丢失的情况,将ECS建模为时滞控制系统；通过构建新的Lyapunov泛函,应用时滞控制系统理论和矩阵范数不等式,推导出了ECS网络通讯时延独立的渐进稳定条件和网络通讯时延依赖的最大时延渐进稳定条件；提出了确定ECS渐进稳定的最大网络通讯时延的简便数值线搜索算法；给出了具体验证实例。2.异步动态系统是一个同时含有离散动态和连续动态的系统,是一种特殊的混杂系统。ECS中的数据丢包情况可以简化为切换问题来进行研究。针对ECS单数据包传输,数据传输中有数据包丢失的情况,将ECS建模为具有事件约束的异步动态系统；运用Lyapunov稳定性原理、异步动态系统理论,提出了ECS稳定的网络通讯时延条件和数据包丢失率条件；给出了具体验证实例。3.针对ECS单数据包传输,数据传输中没有数据包丢失的情况,将有界时变网络通讯时延对ECS的影响转化为闭环系统参数的摄动,在此基础上,将ECS建模为离散不确定时滞控制系统；运用Lyapunov稳定性原理、时滞控制系统理论、鲁棒稳定性理论,提出了ECS鲁棒保性能控制律存在的条件；给出了运用线性矩阵不等式设计ECS鲁棒保性能状态反馈控制器的方法；仿真示例验证了方法的有效性。4.ECS的现场测控器是ECS的重要组成部分,它也是具有以太网络接口的嵌入式控制系统。在微嵌入式ECS的现场测控器中软件实现TCP/IP协议是难点。针对ECS的实际工业应用,提出了ECS现场测控器的硬件结构、网络接口方案及其软件架构,给出了基于MSP430F149单片机和RTL8019AS以太网控制器芯片的微嵌入式现场测控器实验系统的具体实现,探讨了精简TCP/IP协议在微嵌入式系统中的软件实现方法,针对现场测控器的WEB应用,详细阐述了WEB服务器在现场测控器中的软件设计。5.结合某市集中供热热网监控系统改造项目,提出了一种分布式热网监控ECS解决方案。给出了系统各组成部分硬件、软件的详细设计与具体实现,详细地讨论了系统软件设计中关键技术问题的解决方法。系统由现场测控器、监控中心和监控终端3个子系统组成。系统各部分间的通讯通过TCP/IP协议来实现,系统易于同企业内部信息网集成；系统采用两级数据库实现了数据的缓存,系统不会因通讯网络发生短暂故障而丢失数据；系统采用Java Script Page (JSP)语言和网页动态刷新技术开发了WEB网站,热网监控可在本地或远地通过WWW浏览器来完成,操作简便。方案已应用于某市热网监测系统中,它还在制造业、电力、水利、环境等监控领域有广泛的应用前景。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • §1.1 引言
  • §1.2 ECS的定义
  • §1.3 ECS研究的主要问题与现状
  • 1.3.1 ECS理论研究的主要问题
  • 1.3.2 ECS理论研究现状
  • 1.3.3 ECS应用技术研究的主要问题
  • 1.3.4 ECS应用技术研究现状
  • §1.4 本文研究成果和章节安排
  • 1.4.1 本文研究成果
  • 1.4.2 本文的内容安排
  • 第二章 ECS的概述
  • §2.1 自动控制系统的发展
  • §2.2 ECS的产生与发展
  • 2.2.1 以太网络的产生与发展
  • 2.2.2 ECS的产生与发展
  • §2.3 主要的ECS协议和解决方案
  • 2.3.1 Modbus TCP协议及其解决方案
  • 2.3.2 Ethernet/IP协议及其解决方案
  • 2.3.3 FF HSE协议及其解决方案
  • 2.3.4 Profinet协议及其解决方案
  • §2.4 ECS的特点
  • 2.4.1 ECS的优点
  • 2.4.2 目前ECS的主要弱点
  • §2.5 ECS的发展前景
  • §2.6 小结
  • 第三章 以太网络通讯时延特性分析
  • §3.1 引言
  • §3.2 以太网络的数据包结构及通信机制
  • 3.2.1 以太网络的数据包结构
  • 3.2.2 CSMA/CD机制与BEB算法
  • 3.2.3 以太网络的通信过程
  • 3.2.4 集线器的通讯机制
  • 3.2.5 交换机的通讯机制
  • §3.3 以太网络通讯时延的组成
  • §3.4 以太网络通信时延特性测试与分析
  • 3.4.1 实验平台
  • 3.4.2 以太网络通讯时延测试
  • 3.4.3 以太网络通信时延特性分析
  • §3.5 小结
  • 第四章 具有通讯时延的ECS稳定性
  • §4.1 引言
  • §4.2 预备知识
  • 4.2.1 基本定义
  • 4.2.2 Lyapunov稳定性原理
  • 4.2.3 时滞控制系统概述
  • 4.2.4 时滞控制系统稳定性
  • §4.3 基于时滞控制系统的ECS建模
  • 4.3.1 典型ECS的结构
  • 4.3.2 基本假设
  • 4.3.3 ECS的时滞控制系统等效模型
  • §4.4 ECS的稳定性分析
  • 4.4.1 相关引理
  • 4.4.2 稳定条件
  • §4.5 实例与验证
  • 4.5.1 定理4.4的验证
  • 4.5.2 定理4.5的验证与分析
  • §4.6 小结
  • 第五章 具有通讯时延和数据包丢失的ECS稳定性
  • §5.1 引言
  • §5.2 预备知识
  • 5.2.1 异步动态系统的一般描述
  • 5.2.2 基本定义与定理
  • §5.3 基于异步动态系统的ECS建模
  • §5.4 稳定性分析
  • 5.4.1 相关引理
  • 5.4.2 稳定条件
  • §5.5 实例与验证
  • §5.6 小结
  • 第六章 ECS鲁棒保性能控制
  • §6.1 引言
  • §6.2 预备知识
  • 6.2.1 线性矩阵不等式（LMI）介绍
  • 6.2.2 离散不确定系统的保性能控制
  • §6.3 基于离散不确定系统的ECS建模
  • §6.4 ECS的鲁棒保性能稳定性
  • 6.4.1 相关引理
  • 6.4.2 状态反馈控制器设计
  • §6.5 实例与验证
  • §6.6 小结
  • 第七章 ECS现场测控器网络接口设计
  • §7.1 引言
  • §7.2 ECS现场测控器硬件整体结构
  • §7.3 RTL8019AS芯片接口实现
  • 7.3.1 RTL8019AS简介
  • 7.3.2 RTL8019AS对MSP430F149单片机的硬件接口
  • 7.3.3 RTL8019AS的软件驱动
  • §7.4 精简TCP/IP协议的软件实现
  • 7.4.1 TCP/IP协议概述
  • 7.4.2 精简TCP/IP协议的实现
  • 7.4.3 WEB服务器及其实现
  • §7.5 小结
  • 第八章 基于ECS的热网监控系统研究
  • §8.1 引言
  • §8.2 系统整体框架
  • 8.2.1 系统硬件整体结构
  • 8.2.2 系统软件整体架构
  • 8.2.3 系统软件平台
  • §8.3 系统的详细设计与实现
  • 8.3.1 现场监控工作站的设计
  • 8.3.2 调度监控工作站的设计
  • 8.3.3 WEB网站的设计
  • §8.4 系统软件设计中的关键技术
  • 8.4.1 测控板卡控制的实现
  • 8.4.2 精确定时的实现
  • 8.4.3 对数据库访问的实现
  • 8.4.4 网页实时自动刷新的实现
  • §8.5 小结
  • 第九章 总结与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻博期间的研究论文和参加的科研项目

    • 相关论文文献

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