实时以太网之多轴运动控制同步问题概述

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1、实时以太网之多轴运动控制同步问题概述第一章绪论1.1课题随着现代工业和商业系统的持续发展，对控制系统中应用共享数据网络的需求也与日俱增。而在国内外研究文献中，将这种基于总线或者控制网络的运动控制系统定义为网络运动控制系统（也可以泛化的称为网络控制系统）[1]。在网络运动控制系统（简称为NMCS，Net）中，处于工业现场的检测、控制和操作设备都具备串行数字通信接口，通过共享的数字通信网络实现各设备间（比如传感器、执行器或者控制器）的数据通信、资源共享和相互协作。近年来，网络化运动控制系统不光在数控加工中得以应用[2]，其在

2、机器人、高速印刷、包装等工业领域的应用也日益加强，如图1–1所示。不同于传统的采用点对点连线的集中式控制系统，这些基于控制网络的运动系统具有可扩展性好、可靠性高以及具备远程控制能力等优点。而且，它们能够解决接线复杂和传输距离限制等问题，以及显著减少安装、重新配置和维护的时间及其成本。尽管在运动控制系统中采用网络化结构具备这么多的优点，然而也带来了很多新的问题，比如实时性和网络同步问题、网络诱导延迟问题、网络调度问题等等。因此，需要根据不同的应用场合，采用一些方法和技术来尽量降低这些问题所带来的影响。总体来说，

3、网络运动控制系统中相应的关键技术可以分为两大类七个方面，如图1–2所示。1、网络技术对于网络运动控制系统来说，其骨干就是各设备间共享的通信网络。而评价一通信网络的性能指标主要有：实时性、可靠性、安全性、可携带的最大节点数、可支持的网络拓扑结构、带宽利用率、时钟同步精度等等，因此网络技术的研究主要体现在提出新的或改进已有的网络协议来综合考虑和平衡这些性能指标，这也属于通信工程中经典的研究领域。目前，网络运动控制系统中主要采用的网络协议包括现场总线、以太网相关协议（包括商用以太网和实时以太网等）和无线通信网络。2

4、、建模与稳定性分析与传统的通过物理连线来直接传输信号不同，采用控制网络来实现信息交互会带来较大的网络诱导延迟和丢包等问题，从而导致原本设计好的稳定的控制系统在实际运行过程中失稳。这就需要在设计网络运动控制系统的时候，事先对这些网络因素进行建模，使得系统模型包含了网络的影响，再通过引入一些方法来分析其稳定性，从而能够得出更为合理的稳定性条件。常用的网络运动控制系统稳定性分析方法有：增广状态空间法、切换系统的稳定性基础、线性离散跳跃系统的理论基础、以及线性矩阵不等式（LMI，linearmatrixinequality）。3

5、、网络诱导延迟补偿即使设计的网络运动控制系统是稳定的，但是由于网络因素的影响，最终的控制性能仍然会低于无网络条件下的集中式控制系统。而通过采用一些方法来补偿网络带来的不利影响，将会显著提高整个系统的控制性能。其中，网络诱导延迟补偿方法是在控制器中构建一个估计器来补偿网络诱导延迟造成的影响，或者将这种不利影响等效成系统的干扰项，然后设计干扰观测器对其进行补偿。不同的控制网络，其诱导延迟有不同的表现形式，具体为定常延迟、随机延迟、有界延迟和不确定延迟，从而也就产生了不同的延迟补偿方法。比如，采用Smith预估器可以有效的补偿

6、定常延迟，而对随机延迟的补偿则可以通过时间戳技术在线的测量该延迟，再进行相应的补偿。4、网络丢包补偿对于网络丢包现象，同样需要采用补偿算法来达到提高控制性能的目的。不同于网络协议中采用重发机制来消除丢包现象所带来的影响，丢包补偿算法也是通过构建预估器来估计出丢失的运动信息，这样做的好处是不会占用本来就很有限的网络带宽。其实从补偿角度来看，网络丢包现象可以等效为整数倍通信周期的随机网络诱导延迟[3]，因此网络丢包补偿算法完全可以借鉴延迟补偿的一些思想和实现方法。第二章实时以太网下的开放式平台研究2.1引言仿真和实验平台对于

7、任何的科学研究都是非常重要的元素，当然也包括本文所做的实时网络下多轴运动控制的同步问题研究。同时，在前面一章已经讲到，实时网络中有很多种类，包括了很多的国际标准，即使是实时以太网也有很多的实时通信协议和规范。因此，对于本文所做的研究工作，涉及到的仿真和实验平台就希望具备开放性的特点。基于此种目的，本章进行了实时以太网下的开放式平台研究工作。设计的开放式平台有个重要的特点：不论是仿真平台还是实验平台，都可以很容易实现基于各种实时以太网协议的多轴运动控制系统。尤其是设计的开放式实验平台，能显著降低开发成本，因为它仅需要在相同

8、的硬件设施上配置相关实时通信协议的协议栈（集中于数据链路层和应用层）。同时，与那些直接采用商用实时以太网通信芯片的运动控制系统相比，通过该实验平台，可以深入的研究实时以太网中的时钟同步方法，而在前者中只能测试其时钟同步性能，却很难真正知道其时钟同步机理，也无法嵌入新的时钟同步算法进去。2.2实时以太网下的开放式仿真平