工业现场总线协议的建模与仿真分析

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1、工业现场总线协议的建模与仿真分析摘要工业现场总线控制系统FCS是计算机、通信、仪表和控制技术相结合的产物，适应了工业控制系统的分散化、网络化和智能化的要求，已成为控制技术研究领域的热点。但现在现场总线的研究却不能很好地满足实际工程的需要，很多具有挑战性的问题急迫需要解决。同时现场总线研究工具功能的局限性也在很大程度上制约了其研究工作的开展。本文从现场总线的研究工具入手，在网络通信协议层面上对现场总线进行了研究和探索。本文的主要工作和贡献如下：1.首先针对工业控制领域的发展，介绍了应用日益广泛的现场总线，总结了现场总线的特点和实时性要求。

2、通过对现场总线通信协议及其研究现状的分析，指出了现场总线研究方面存在形式化描述不足的问题，提出了结合Petri网和Matlab强大功能的新型研究方法。2.Petri网作为图形化的数学建模工具，已被广泛用来描述和分析复杂通信协议。而目前专门针对Petri网设计的仿真软件大都是非商业性的，仿真能力有限。Matlab作为一种工程计算及系统仿真等方面的大型商业软件，在仿真能力、扩展性及服务支持上有着明显的优势。为此，提出了一种利用Matlab/Stateflow对Petri网模型进行仿真的方法。3.在具体介绍了FF总线的基础上，建立了该协议的D

3、SPN模型，运用I介绍的方法建立了FF总线协议在Matlab/Stateflow下的仿真平台模型，并运用该模型对总线性能进行了仿真分析。针对FF总线协议中调度表的构造问题，介绍了单调速率算法。同时针对该算法的不足，引进了ERM算法，并给出了ERM算法的可行性分析。4.在具体介绍了CAN总线协议的基础上，建立了该协议的DSPN模型和Matlab/Stateflow下的仿真平台模型。并运用该模型对总线性能进行了仿真分析。为保证CAN总线中信息传输的严格实时性,引入了TDMA调度机制,并且混合了EDF调度算法来调度软实时信息。该混合算法通过给

4、硬实时信息保留特定时间域的方法,来满足硬实时信息的严格实时性要求，该算法可以充分保证系统信息的实时性要求。5.具体介绍了一种新型总线协议——FTT-CAN协议。引进了一种保证后备主节点和活动主节点运行完全同步的方法,并用状态机进行了描述。根据FTT-CAN总线的特点，建立了其DSPN模型和对应的Matlab/stateflow仿真平台模型，并运用该模型对总线性能进行了仿真分析。在FTT-CAN中,由于错误可能导致后备节点需要在线更新SRT表以达到和活动主节点完全一致，而协议中并没有保证后备节点SRT表更新的相关机制。为此本文提出了一种保

5、证后备节点SRT表更新过程的算法。同时在充分考虑了更高优先级突发信息的影响后，对算法进行了简化，以适合在线实时调度的需要。最后，对该算法进行了仿真和分析。关键词：现场总线系统，Petri网，模型，网络调度IIMODELING、SIMULATIONANDANALYSISOFFIELDBUSPROTOCOLSABSTRACTFieldbusControlSystem(FCS),whichisnurturedfromcomputer,telecommunications,instrumentsandcontroltechnologiesmee

6、tstherequirementofautomaticcontrolsystemfordistribution,networkandintelligent,andhasbeenthehotspotofglobalautomationtechnology.However,theacademicstudyofFieldbuscan’tmeettheactualneedsandtherearemanychallengingissuesneedtobeaddressedurgently.Meanwhilethelimitationsofinst

7、rumentshavelargelyrestrictedthedevelopmentoftheresearchinFCS.ThisdissertationstartstheresearchingworkfromtheinstrumentsandfocusesonthenetworkcommunicationprotocolstostudyandexploretheFCS.Themainworkandcontributionsofthisdissertationcanbesummarizedasfollows:1.First,astoth

8、edevelopmentinthefieldofindustrialcontrol,thedissertationintroducesandsummarizesthecharacteristicsofFCS