基于Windows的开放结构控制平台及应用研究

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1、山东大学博士学位论文基于Windows的开放结构控制平台及应用研究姓名：武洪恩申请学位级别：博士专业：机械制造及其自动化指导教师：张承瑞20070331山东大学博士学位论文内核开放的目的。给出了CNC内核访问组件接口的IDL(InterfaceDefinitionLanguage)语言定义。WOAP平台达到了开放体系结构控制系统内核层次的开放。现场总线的应用使传统的控制系统体系结构发生了重大的变革，同时为开放结构控制平台的在较大范围内选择和配置硬件提供了一个有效的渠道。参考目前市场上典型的运动控制现场总线SERCOS，以及国家标准《控制与驱动装置间实时串行

2、通信数据链路》，对王恒提出的SCOM(serialCOmmunicationBusinMotioncontr01)现场总线进行了更新，实现了适合于Windows平台应用的新的运动控制现场总线——实时串行通讯总线RTSB(Real-TimeSerialcommunicationBus)。给出了网络的广播型拓扑结构，建立了现场总线的互连参考模型，采用异步串行通讯的物理层协议j参考OSI标准协议中的高级数据链路控制HDLC协议的帧结构制定了RTSB的报文结构及内容。给出了现场总线访问子层中的总线通讯时序、同步机制、错误处理、系统初始化过程。给出了RTSB主控卡的

3、电气原理图，用户接口层API以及Windows平台驱动程序结构。提出一种全新的总线设备枚举方法，便于系统为总线设备动态分配网络地址，避免了由于适配卡使用固定地址带来的系统管理弊端。RTSB不但解决了传统控制器结构中的问题并为实现下一代数字驱动器接口提供了途径，而且解决了非实时操作系统下的实时控制问题，同时也可以消除实时操作系统定时基准抖动引起的控制系统时间的漂移，为实现控制系统的高速、高精度性能奠定了基础。对Windows操作系统的微内核结构的体系结构分析知道，Windows将中断处理过程分做两步进行。就像在高性能实时操作系统中一样，在直接中断处理那一步中

4、的各个中断服务程序ISR(LntorruptServiceRoutine)都很短，Windows的中断延迟与实时操作系统的中断延迟差不多。Windows是一个优秀的通用操作系统平台，但由于它在中断处理、线程调度、虚存系统等各方面充分考虑了弱实时应用的需求，具有延迟过程调用DPC、内核完全可被抢先等机制，能够提供非常高的系统吞吐率和很低中断响应延迟，其内核硬件中断延迟与实时操作系统的中断延迟差不多，因而可以通过对系统进行扩展，提高系统的实时处理能力。采用运行于内核态的设备驱动程序对系统进行实时扩展，可以满足系统中断的可预测性要求。采用WindriverKom

5、elPlugin技术设计了PCVISA总线RTSB主站控制卡的Windows驱动程序。对Windows平台下的中断响应延迟特性进行了测试，表明Windows系统在ISR级系统中断具有相当程度的确定性。根据Windows中断响应摘要的特点，通过合理安排驱动程序的响应顺序，配合RTSB总线控制卡，可以极大地提高系统的实时应用能力。描述了WOAP微控内核的结构，数据交换缓冲区的结构以及实现系统实时内核开放的方法。采用Windows中断服务程序，配合RTSB总线技术构成的运动控制平台WOAP，其系统定时周期偏差不大于250ns，达到了硬件实时的水平，成功的方便、经

6、济地解决了W'mdows系统应用于实时控制任务时的实时性要求。可以满足运动控制系统的实时性要求。为了提高内燃机的性能，活塞型面一般设计为复杂的三维立体曲面，来补偿活塞在高温、高压环境下的形状变化。在分析了目前所使用的活塞型线的基础上，通过对异型活塞型面的特征进行分析，提出将型面先分解再合成的活塞设计方法。将型面划分为“纵向型线”、“椭圆”、“变椭圆度”三个基本特征，对每一种特征给以恰当的数学描述．同时根据活塞表面特性引入“旋转”，“偏心”特征，以适应活塞形状的变化。对特征信息进行了规划设计，将横截面型线根据曲线特点划分为规则曲线与非规则曲线。对于规则曲线，

7、直接用曲线解析表达式进行描述曲线；对于非规则曲线，采用三次非均匀B样条进行拟合插值。纵向型线特征以及椭圆度变化特征采用三次样条进行拟合。根据活塞加工过程中刀具运动学特点，提出了—信号分离型和信号合成型相结合的运动学模型。根据活塞型面加工系统运动学特性，将各个特征进行合成，最终生成控制刀具运动轨迹的实时加工数据文件。提出采用微圆锥体来逼近椭圆型面法，可以减小离散截面个数，减小数据文件尺寸，提高表面轮廓精度。根据型面特征，采用模块方法设计了型面设计软件系统。系统具有友好的界面，丰富的功能，可以满足耳前遇到的活塞的型面设计要求。同时该设计系统与活塞异型表面车削加

8、工数控系统有机地集成到一起，便于系统及时获得数控机床信息，也便于机