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          基于PROFIBUS總線(xiàn)的數(shù)控系統(tǒng)建模與仿真

          作者: 時(shí)間:2013-01-06 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,在技術(shù)上現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)具有系統(tǒng)的開(kāi)放性、互可操作性與互用性、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化與功能自治性以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的適應(yīng)性等特點(diǎn)。然而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)最大的缺點(diǎn)是存在信號(hào)的傳輸延遲,因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用的是一種串行數(shù)據(jù)傳輸方式,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在傳送報(bào)文時(shí)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度分時(shí)占用總線(xiàn),這就使得現(xiàn)場(chǎng)的傳感、驅(qū)動(dòng)設(shè)備與控制器(主站)或工廠管理層之間的信息在傳輸過(guò)程中不可避免地存在著延遲。而且隨著通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的變化,該延遲通常是隨機(jī)時(shí)變的,從而影響了控制系統(tǒng)的性能甚至穩(wěn)定性。通常情況下,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)的傳輸延遲可分為: 固定延遲:一般適用于控制系統(tǒng)的采樣周期遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)的情況。 獨(dú)立分布隨機(jī)延遲:延遲服從某種概率分布,但具有獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)特性。 基于Markov鏈的隨機(jī)延遲。 對(duì)于確定性現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō),一個(gè)確定的控制系統(tǒng)(總線(xiàn)協(xié)議、傳輸速率、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和配置確定)其網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)相對(duì)固定,因此本文的研究基于固定的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸延時(shí)。

          一、基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的基本模型

          不同的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò),其網(wǎng)絡(luò)延遲的特性也不相同,為了分析網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)控制系統(tǒng)的影響,首先應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲進(jìn)行建模,網(wǎng)絡(luò)延遲一般來(lái)說(shuō)是時(shí)變的,受網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、鏈路層調(diào)度協(xié)議等因素的影響。基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)將數(shù)控單元、執(zhí)行器和傳感器等連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)分布式的控制系統(tǒng)。因此基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的是一個(gè)多輸入、多輸出以及具有通信傳輸延時(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)。其基本模型如圖1所示。

          基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的數(shù)控系統(tǒng)的基本模型

          圖1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的數(shù)控系統(tǒng)的基本模型

          該模型由數(shù)控機(jī)床和數(shù)控單元兩部分組成。數(shù)控機(jī)床部分動(dòng)態(tài)模型包括n個(gè)可觀測(cè)的狀態(tài){x},m個(gè)輸入{u},以及r個(gè)輸出{y};數(shù)控單元部分的動(dòng)態(tài)模型則包括q個(gè)可觀測(cè)的狀態(tài){z},r個(gè)輸入{w},以及m個(gè)輸出{v}。該數(shù)控系統(tǒng)包括m個(gè)執(zhí)行器,r個(gè)傳感器和一個(gè)數(shù)控單元,因此n、m、r以及q均為正整數(shù)。其中s1,s2,…,sr和a1,a2,…,am分別表示傳感器與數(shù)控單元之間以及數(shù)控單元與執(zhí)行器之間的信號(hào)傳輸延時(shí),即變量wr和um分別代表信號(hào)yr和vm經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)傳輸后的延時(shí)信號(hào)。

          在圖1中,數(shù)控機(jī)床部分可看作為線(xiàn)性時(shí)不變連續(xù)系統(tǒng),因此其動(dòng)態(tài)模型GP可由如下的連續(xù)狀態(tài)方程描述:

          其中:x(t)∈Rn,u(t)∈Rm,y(t)∈Rr而Ap,Bp,Cp為維數(shù)可變的常系數(shù)矩陣。

          由于數(shù)控單元由數(shù)字計(jì)算機(jī)按一定的采樣頻率采集數(shù)控機(jī)床的傳感器信息,并通過(guò)一定的算法進(jìn)行數(shù)字處理,對(duì)數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部件發(fā)送動(dòng)作指令。因此數(shù)控單元部分只能看作為離散系統(tǒng),其動(dòng)態(tài)模型GC可由如下的離散狀態(tài)方程描述:

          其中:z(k)=z(kT)∈Rq,w(k)=w(kT)∈Rr,v(k)=v(kT)∈Rm,T為采樣周期,同樣F,G,H和J為維數(shù)可變的常系數(shù)矩陣。 基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)最大的特征就是在數(shù)控單元與數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信存在延時(shí)。如圖1所示,通常情況下,

          其主要原因就是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)采用的是串行數(shù)據(jù)傳輸方式,信號(hào)u(t)與v(k),w(k)與y(t)之間存在延時(shí),因此現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信環(huán)節(jié)的時(shí)間延時(shí)的大小決定了基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能。 二、基于數(shù)控系統(tǒng)模型的建立 為了抑制總線(xiàn)傳輸延遲對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)造成的影響,建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的傳輸延時(shí)所造成的系統(tǒng)性能影響進(jìn)行理論分析與仿真研究具有非常重要的意義。在圖1所示的基本模型中,由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性,因此很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型。本文提出采用Matlab/simulink工具,建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)模型并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的傳輸延時(shí)所造成的數(shù)控系統(tǒng)性能影響進(jìn)行仿真與分析。


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