网络化运动控制系统的关键技术研究

【摘要】运动控制技术是制造业自动化的核心技术。当今制造业的发展对运动控制系统的精度、效率以及柔性等都提出了更高的要求。为实现这些目标,运动控制系统首先需要一个开放、柔性的体系结构,于是网络化控制系统应运而生。近年来随着实时以太网技术的应用和推广,网络化运动控制系统开始迸发出强大的活力。本文以提高运动控制系统的性能和开放程度为目标,对网络化控制系统的模型、以太网的实时同步机制等网络化运动控制系统中的关键技术进行了研究。对网络化控制系统控制模型的研究。分析了网络节点在不同驱动方式下产生的诱导延时,并对延时大小进行了比较。建立了延时网络控制模型,并根据运动控制系统实时同步的特点进行了简化。在简化模型的基础上就网络通信周期和网络诱导延时对控制系统的稳定性、稳态误差以及动态性能的影响进行了研究。确定了以减小通信周期和网络诱导延时为准则的网络系统设计方法。根据网络化控制系统模型分析得到的设计准则,研究了以太网实时同步机制。从系统的角度出发,针对基于PC的开放式运动控制提出一种实时以太网通信协议EtherMAC(EthernetforManufactureAutomationControl)。EtherMAC采用主从结构的线型级联网络,结合集总帧的数据传输方式实现了节点间的确定性通讯；通过基于FPGA(FieldProgrammableGateArray)的从节点来管理网络通讯和节点同步,实现了通讯周期的精确控制。这些设计方法使主节点摆脱了对专用硬件和硬实时操作系统的依赖,从而提高了系统的开放程度。提出了基于分布时钟的节点同步方案,并通过对从节点晶振误差进行周期补偿实现了从节点时间的精确同步。在以上工作的基础上,研究了以太网可靠性和功能安全。分析了通信网络的故障原因,针对不同应用提出了末节点自动仲裁机制、自动检错重发机制、网络纠错机制和环形网络冗余设计来保障EtherMAC正常工作。引入黑通道技术来简化安全相关系统的设计,简化后的系统使用CRC校验、流水号、时间戳、期望时间等安全措施来诊断通信过程中可能发生的误码、顺序错误帧、超时及连接断开等故障。提出了EtherMAC功能安全的实施方法,并对其功能安全响应时间进行了分析。在以上方案的基础上,对基于EtherMAC的网络化运动控制系统实施方法进行了研究。提出了基于FPGA的从节点实施方案,开发了支持EtherMAC链路层协议的知识产权(IntellectualProperty,IP)核,利用数据帧并行处理和在线填充的方式获得了小于520ns的从节点转发延时,提高了数据传输的实时性能。研究了主节点的协议驱动框架,提出了基于标准PC的软件化运动控制系统,并分别提出了基于通用开发环境和第三方开发工具CoDeSys的控制系统开发方法,从而支持用户使用高级语言或IEC61131-3中的PLC语言实现控制系统的开发,以满足对不同层次用户的开发需求。通过充分结合主节点PC的运算能力和从节点FPGA的硬件特性,提出了高速精插补算法、控制系统加减速的优化算法和提高多轴联动控制系统合成轮廓精度的误差控制算法,为提高网络化控制系统性能提供了一种思路,同时也证明了EtherMAC在应用于运动控制系统时的优势。最后,搭建了EtherMAC网络控制测试系统,对系统的实时同步性能进行了测试,并通过实际生产加工验证了系统性能。
【作者】姬帅；
【导师】张承瑞；
【作者基本信息】山东大学，机械电子工程，2014，博士
【关键词】网络化运动控制；开放式结构；实时以太网；同步；

【参考文献】
[1]刘红豆.从关联理论角度探究中国诗歌口译[D].上海外国语大学,英语语言文学,2013,硕士.
[2]郑毅.血府逐瘀汤联合氨甲环酸治疗黄褐斑的临床观察[D].黑龙江中医药大学,中医外科学（专业学位）,2014,硕士.
[3]何博.折叠臂式桥梁检测车有限元分析及实用工具的开发[D].吉林大学,工程力学,2014,硕士.
[4]郭立玮.现代分离科学与中药分离问题——关于开展“中药分离原理与技术”系统研究的思考[J].世界科学技术,2005,04:61-66+87-88.
[5]于晓南.《我们期待的未来》的哲学思考[D].渤海大学,科学技术哲学,2014,硕士.
[6]呙裴.制造业跨国公司在华运营模式研究[D].东南大学,2004.
[7]李磊.MAGE-A4和B7-H4在食管鳞状细胞癌中的表达及临床意义[D].蚌埠医学院,病理学与病理生理学,2013,硕士.
[8]金露玲.学龄前儿童发展评价专家系统设计与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[9]肖峻,谷文卓,郭晓丹,王成山,李方兴.配电系统供电能力模型[J].电力系统自动化,2011,24:47-52.
[10]王绘凝.InGaN/GaN多量子阱的结构及其光学特性的研究[D].山东大学,微电子学与固体电子学,2014,博士.
[11]安汉那.韩国全日制初中汉语教材的考察与分析[D].沈阳师范大学,语言学及应用语言学,2013,硕士.
[12]李东平.焦化企业设备管理信息系统研究[D].西安建筑科技大学,机械工程,2004,硕士.
[13]任威.腰脊神经后支松解术治疗椎管外源性腰痛的临床观察与机制探讨[D].湖北中医药大学,中医骨伤科学（专业学位）,2013,硕士.
[14]李锋源.报纸发行企业转型案例研究[D].广东财经大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[15]包瑞飞.基于BREW平台的全键盘手机处理机制的研究与实现[D].西安电子科技大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[16]光荣.中国与缅甸的交往：跨境贩毒干预[D].浙江大学,中国学,2013,硕士.
[17]杨佳.不同浓度艾烟长期干预对大鼠心血管疾病易感因子影响的实验研究[D].北京中医药大学,针灸推拿学,2013,硕士.
[18]袁霏.沙利度胺对复发性口疮血清免疫球蛋白及C3、C4的影响[D].河北医科大学,口腔临床医学,2013,硕士.
[19]杨芃.新民主主义革命时期中国共产党廉政建设研究[D].天津商业大学,马克思主义中国化研究,2013,硕士.
[20]金晓林,丁卫徐,丛燕青.新型可见光响应型BiVO_4光阳极的研究进展[J].化工新型材料,2015,02:4-6+14.
[21]曹江.叠堆型压电陶瓷特性测试及建模[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[22]白婧.脂肪细胞型脂肪酸结合蛋白与不同糖耐量人群胰岛细胞功能的相关性研究[D].河北医科大学,内科学（专业学位）,2013,硕士.
[23]陈绍宽,韦伟,毛保华,关伟.基于改进时空Moran’sI指数的道路交通状态特征分析[J].物理学报,2013,14:527-533.
[24]程荣荣.从语言顺应论视角探究美剧字幕翻译[D].山西师范大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[25]王彬彬,张飞,王京.基于递推最小二乘法的无模型自适应厚度控制[J].冶金自动化,2015,03:34-38.
[26]辛要宾.北宋逃兵问题的相关探讨[D].广西师范大学,中国古代史,2013,硕士.
[27]卢灵娇.宁波市FDI技术溢出效应分析[D].宁波大学,国际贸易学,2014,硕士.
[28]沈哲芬.城市公园建设与管理市场化研究[D].华侨大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[29]苏昭斌.基于粒子群与混沌学的海杂波抑制方法[D].江苏科技大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[30]夏娟.多模态英语课件设计[D].湖南师范大学,现代教育技术（专业学位）,2013,硕士.
[31]徐艺颖.我国商业银行资产证券化风险管理研究[D].内蒙古大学,金融,2014,硕士.
[32]王绍龙.网上银行操作风险及其防范研究[D].天津大学,工商管理,2013,硕士.
[33]席裕庚,王凡.非线性系统预测控制的多模型方法[J].自动化学报,1996,04:456-461.
[34]刘新杰.27例小儿腹部神经母细胞瘤三种影像学方法诊断分析[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[35]孟阳.银行信用风险计量模型的分析与借鉴[D].东北财经大学,金融学,2003,硕士.
[36]侯水晶.《土耳其完美九日游》翻译报告[D].山东财经大学,英语笔译（专业学位）,2013,硕士.
[37]谢学端.联碱母液纤维球过滤特性的研究与应用[D].四川大学,化学工程,2003,硕士.
[38]王成礼,尚新民.基于参变量的波场变换方法与应用[J].石油地球物理勘探,1995,01:75-85+146.
[39]刘丹.商务英语口译实习报告[D].大连理工大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[40]徐敏,王瑞平.医疗仪器产业现状及存在问题探讨[J].北京生物医学工程,2009,05:541-544.
[41]张传斌.基于CAN总线的移动机器人分布式控制系统研究[D].山东大学,控制科学与工程,2013,硕士.
[42]林胜.工厂数据通讯系统的规划(下)[J].冶金自动化,1993,04:26-30.
[43]林小云.新型化学修饰电极的构建及在食品分析中的一些应用[D].南昌大学,2013.
[44]张炜.从“3Q之争”论我国网络环境下隐私权的保护[D].中国政法大学,民商法学,2012,硕士.
[45]张恒磊,刘天佑.基于Curvelet域的位场多源数据融合方法[J].石油地球物理勘探,2011,04:648-653+667+499.
[46]魏铼.基于SAR影像的海上溢油监测与评估方法研究[D].首都师范大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[47]张洁.急性心肌梗死病人住院费用及其影响因素研究[D].山东大学,公共卫生（专业学位）,2012,硕士.
[48]文莎.动态镜像系统及其容灾扩展的设计与实现[D].国防科学技术大学,计算机科学与技术,2012,硕士.
[49]范武.医疗过程分析研究平台设计与实现[D].浙江大学,生物医学工程（专业学位）,2013,硕士.
[50]李桢.可信软件并发正确性测试技术的研究与应用[D].广东工业大学,软件工程,2014,硕士.