PROFIBUS网络控制系统实时性研究

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1、济南大学硕士学位论文摘要网络控制系统(NetworkedControlSystem)是一种全分布式、网络化的实时反馈控制系统，它综合了工业网络、通信和自动控制等多方面技术，NCS充分体现了控制系统网络化、集成化、分布化及节点智能化的发展趋势，具有很多优点，近年来得到了广泛的研究和发展。但同时网络传输也会产生时间延迟、数据包丢失等问题，这不仅给NCS的分析带来了困难，而且使得许多传统的控制理论不能直接应用到NCS的设计当中。而在PROFIBUS网络控制系统中，实时性起着关键作用，直接影响着网络控制系统的性能。在网络

2、控制系统中，PROFIBUS是应用最广的现场总线之一，作为现场级的工业控制网络，PROFIBUS总线信息传输的实时性直接影响着整个控制系统的性能，PROFIBUS的实时特征是确保网络控制系统性能的关键。PROFIBUS主要采用主从节点、分布式令牌和优先级等机制管理整个网络的信息通信，但是对这些机制一直缺乏系统的研究。本课题是以山东省自然科学基金资助项目“PROFIBUS现场总线关键技术应用研究"(Y2006G25)为背景展开的。论文的主要研究内容包括：1．综述了网络实时系统与PROFIBUS协议的特点，着重阐述了

3、网络控制系统存在的几个主要问题及近年来的研究进展。2．深入分析PROFIBUS协议工作机制和通信协议特点。在此基础上，分析研究了PROFIBUS协议中影响实时特性的时间参数，以单主站系统为例，分析了高优先级信息最大传送延时的简化计算方法，总结出了关于PROFIBUS协议实时性能的计算方法。3．我们利用两种网络仿真环境：Matlab／Simulink和TrueTime，分别建立了PROFIBUS网络控制系统的仿真模型，并探索了数据包丢失率、网络时延、网络负载、信息调度算法等因素对系统稳定性的影响。4．在仿真模型的基

4、础上，分析网络时延特性及对控制系统性能的影响，设计了自整定模糊PID控制器来改善系统性能，同时设计了Smith补偿器来克服延迟环节对控制系统性能的影响，仿真结果验证了自整定模糊PID控制器和Smith补偿器设计方法的有效性。5．在控制学院网络实验室搭建了PROFIBUS网络控制系统实时性能测试平台，进行影响PROFIBUS网络控制系统实时性能的主要因素的实验研究分析，包括测试111PROFIBUS网络控制系统实时性研究了主从站扫描周期与PROFIBUS通讯速率、网络负载与测控周期、目标令牌循环时间设置与测控周期、

5、从站数目与网络循环时间、主从站扫描周期与通讯周期的关系，并用实验结果对前面实时性理论公式的正确性进行了验证。通过实验数据说明了影响系统实时性的相关因素及影响程度，并给出了一些提高实时性的方法。最后，对本文进行了回顾和总结，指出了存在的不足的地方，并提出了下一步的研究方向。关键词：PROFIBUS；网络控制系统；实时性；TrueTime仿真；延时补偿IV济南大学硕J二学位论文AbstractNCS(NetworkedControlSystem)isakindoffeedbackcontrolsystemwherei

6、nthecontrolloopisclosedthroughreal-timecontrolnetwork,whichintegratesindustrynetwork，communicationandautomaticcontrolprovidesseveraladvantages，ithasbeendevelopedquicklyandbecomesmoreandmorepopular．Therefore，someproblemssuchastimedelay,datapackageloss，mayoccur

7、inthenetworktransmission，whichCanmakeadifficulttasktoanalyze，moreover,theclassicalcontroltheoryCannotbedirectlyappliedtoNCSs’controllerdesign．ButintheNetworkedControlSystemofPROFIBUS，theperformanceofrealtimeisplayingthekey,directlyaffectingitsperformances．Asa

8、bottomindustrialcontrolnetwork，PROFIBUSisoneofmostwidelyusedfieldbusesinNCS，thereal-timeperformanceinfluencesthewholefunctionofcontrolsystemdirectly．TheperformanceofNCSmainlydependsonther