网络化运动控制系统行为特性的研究

论文摘要

在网络化运动控制系统中，网络的介入给运动控制系统带来各种优点的同时，也对传统控制理论与方法提出了很大挑战。除了大规模分布式运动控制系统的实现本身所存在的各种问题外，还要克服网络随机传输时延、数据包丢失和时序错乱等现象所带来的稳定性、实时性以及安全控制等问题。而运动控制系统是一种典型的控制循环周期短且具有高精度、高动态响应要求的控制系统，除了要求高性能的传输之外，它要求系统能在极短的时间内做出响应。因此，研究网络化的运动控制系统一方面需要把网络技术渗透到运动控制系统中，另一方面也要利用控制理论解决网络的控制问题。 本文从运动控制系统在网络化环境下应用的实体行为角度出发，研究了网络化运动控制系统的体系结构、系统建模、行为特性以及网络延时补偿控制策略。首先分析了工业控制网络及传统运动控制系统的体系结构，在深入研究SOPC技术、IP资源复用及嵌入式Internet等各种新技术的基础上，针对传统运动控制系统结构中存在的一些问题，提出了一种新的基于嵌入式Internet和SOPC的网络化运动控制系统体系结构，并进一步研究了基于MicroBlaze软处理器由FPGA芯片完成运动控制器设计的实现方法。 在研究体系结构的基础上，分析了网络化运动控制系统中各智能节点间的信号关系，依据离散系统理论，分别在四种不同驱动工作方式下，全面系统地推导出基于增广状态的多输入多输出网络化运动控制系统的离散状态方程，最后进一步分析了系统各节点在不同驱动方式下对系统性能的影响，指出了各自的优缺点。 分析了工业控制网络中的实时性、安全性和稳定性三种主要的行为模式及特征，研究了其对整个运动控制系统性能的影响。首先，分析了以太网的工作机理及提高工业以太网实时性的各种方法和控制策略；接着，从系统和控制论的观点出发，研究了工业以太网的安全控制原理、控制策略和控制机制等网络安全控制体系结构，以及当前解决网络安全控制的关键技术和手段；最后，从控制网络的角度研究了网络传输时延、系统采样率、数据包丢失率和信息的最大允许传输间隔对系统稳定性的影响。 从控制的角度，研究并提出了一种广义预测控制算法结合缓冲区的网络传输时延综合补偿控制方法。分析了GPC算法，通过在控制器和执行器分别加装一定深度的缓冲区，并利用数据自身的时间特性进行自动更新排序的方式，实现了对网络传输时延、时序错乱和数据包丢失等基本问题的统一处理。最后搭建了基于EtherNet／IP的网络化运动控制系统实验平台，实现了基于MicroBlaze的嵌入式运动控制器，并研究了基于EtherNet／IP-CIP Motion的分布式运动控制系统的结构和同步控制技术。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 运动控制系统的概念及发展趋势
• 1-1-1 运动控制系统的概念
• 1-1-2 运动控制系统的发展趋势
• §1-2 工业控制网络的发展历程
• 1-2-1 工业控制网络的概念
• 1-2-2 工业控制网络的发展历程
• 1-2-3 工业控制网络的发展方向—工业以太网
• 1-2-4 运动控制网络
• §1-3 网络化运动控制系统的研究现状
• §1-4 论文研究的意义
• §1-5 本文主要研究内容
• 第二章 网络化运动控制系统的体系结构
• §2-1 工业控制系统网络体系结构
• 2-1-1 传统三层网络体系结构
• 2-1-2 工业以太网体系结构
• §2-2 传统运动控制系统体系结构
• §2-3 新型网络化运动控制系统体系结构设计
• 2-3-1 系统设计中的新技术
• 2-3-2 新型体系结构的提出
• 2-3-3 基于SOPC的嵌入式运动控制器
• §2-4 网络通信模块设计
• §2-5 运动控制模块设计
• §2-6 小结
• 第三章 网络化运动控制系统的数学模型
• §3-1 网络化运动控制系统中的采样技术
• 3-1-1 信号采样方式
• 3-1-2 节点驱动方式
• 3-1-3 节点采样速率
• §3-2 网络化运动控制系统的数学模型
• 3-2-1 控制器为时间驱动,执行器为事件驱动
• 3-2-2 控制器为事件驱动,执行器为事件驱动
• 3-2-3 控制器为时间驱动,执行器为时间驱动
• 3-2-4 控制器为事件驱动,执行器为时间驱动
• §3-3 不同驱动方式对系统性能的影响
• §3-4 小结
• 第四章 网络化运动控制系统行为特性分析
• §4-1 工业以太网的实时特性分析
• 4-1-1 实时性的概念
• 4-1-2 工业以太网的实时特性分析
• 4-1-3 提高以太网实时性的若干方法
• §4-2 工业以太网的安全性分析
• 4-2-1 网络安全性的概念
• 4-2-2 网络安全控制策略和机制
• 4-2-3 网络安全控制的关键技术
• §4-3 工业控制网络的稳定性分析
• 4-3-1 稳定性的基本概念
• 4-3-2 网络传输时延对系统稳定性的影响
• 4-3-3 采样速率对系统稳定性的影响
• 4-3-4 数据包丢失对系统稳定性的影响
• 4-3-5 信息传递时间间隔对系统稳定性的影响
• §4-4 小结
• 第五章 网络传输时延的补偿控制方法研究
• §5-1 网络传输中的时延分析
• 5-1-1 网络传输中的基本问题
• 5-1-2 网络传输中的时延组成
• §5-2 网络传输时延的补偿控制方法
• 5-2-1 Smith预估器补偿控制
• 5-2-2 时延预测控制
• 5-2-3 基于事件的智能控制
• 5-2-4 监督控制
• §5-3 基于广义预测控制的随机时延补偿控制方法
• 5-3-1 补偿控制总体设计思路
• 5-3-2 广义预测控制基本算法
• 5-3-3 基于广义预测的网络传输时延补偿控制
• §5-4 小结
• 第六章 基于Ethernet/IP的网络化运动控制系统
• §6-1 系统总体结构及开发平台
• §6-2 嵌入式运动控制器开发
• 6-2-1 硬件结构及开发工具
• 6-2-2 网络通信模块的实现
• 6-2-3 运动控制模块的实现
• §6-3 EtherNet/IP用于分布式运动控制系统
• 6-3-1 IEEE 1588时钟同步控制技术
• 6-3-2 基于EtherNet/IP的CIP Motion技术
• 6-3-3 基于时间同步的分布式运动控制
• §6-4 小结
• 第七章 结论与展望
• §7-1 论文总结和创新点
• §7-2 进一步研究内容
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间所取得的相关科研成果