网络延时对大型机械网络控制系统影响的研究

摘要

如今,在各大工程项目中网络控制系统得到了广泛的运用。特别在一些大型的机械工程中,如在郑西客运专线陕西华阴段TL900吨轮胎式提梁机上,由于其优点,采用网络控制系统作为控制主体,并最终取得了良好的效果。在网络控制系统中,反馈控制回路中存在着通信网络环节,控制器、传感器和执行器等设备间通过网络进行信息交换。由于源自多个设备的信息流量变化不规则,网络延时不可避免,而网络延时会降低系统的性能,使系统的稳定范围变窄,甚至致使系统不稳定。因此网络延时的研究对建立稳定的网络控制系统有重大的意义。
　　 本文以作者亲自参与设计并实地调试过的实际工程项目-郑西客运专线陕西华阴段。TL900吨轮胎式提梁机网络控制系统作为问题的提出点以及建模和仿真的研究对象。分析了提梁机上使用的CAN现场总线的协议、结构及其实时性。在对CAN进行了解和分析的基础上,针对提梁机实际的工况,对提梁机网络控制系统进行设计,并列出了在现场调试过程中所遇到的有关问题,这些问题经思考后发现与网络延时的设置有关。为了研究网络延时,对提梁机的提升模块进行数学建模并分析了其稳定性。同时,对提梁机中运用的PID控制算法连同网络延时一起进行建模,分析了网络延时对PID控制算法的影响。在详细论述网络延时产生的原因的基础上得到了影响网络延时大小的各种网络参数。然后介绍了一种名为TrueTime的网络控制系统仿真工具箱,并用其对提梁机网络控制系统进行综合的建模并仿真。在仿真中,以各种影响网络延时大小的网络参数作为调节量,观察它们对于系统稳定性的影响,最后得到了为了维持整个系统的稳定性,各影响网络延时大小的网络参数的设置情况。论文的最后部分就将来在网络延时方向上进一步工作的方向进行了简要的讨论。

目录

文摘

英文文摘

第一章 概述

1.1 网络控制系统概述

1.2 网络控制系统在工程机械中的运用

1.3 网络控制系统相比于传统控制系统的特征

1.4 关于网络延时的国内外研究现状

1.5 本文的主要内容

第二章 CAN现场总线实时性研究

2.1 现场总线概述

2.2 CAN总线协议和结构

2.2.1 CAN总线通信协议

2.2.2 CAN总线拓扑结构

2.3 CAN总线实时性研究

2.3.1 CAN信息帧的最坏传送时间

2.3.2 在正常情况下CAN协议帧的传送时间

2.3.3 位插入对传送时间的影响

2.3.4 CAN实时性的解决方案

第三章 900吨提梁机网络控制系统设计

3.1 900吨提梁机概述

3.2 900吨提梁机提升部分设计

3.3 基于CAN总线的提梁机三层网络控制系统设计

3.3.1 网络控制系统的布置

3.3.2 网络控制系统的结构

3.3.3 分布式的控制策略

3.4 现场调试问题

第四章 网络控制系统及PID控制算法建模与稳定性分析

4.1 离散时间系统模型及稳定性分析

4.1.1 离散时间系统建模

4.1.2 稳定性分析

4.2 提梁机提升控制对象建模

4.2.1 执行机构模型

4.2.2 传感器模型

4.2.3 控制对象模型

4.3 提梁机网络控制系统稳定性分析

4.4 网络延时对PID控制算法影响的研究

4.4.1 提梁机PID控制算法建模

4.4.2 网络延时影响分析

第五章 提梁机网络控制系统仿真与分析

5.1 网络延时的分析

5.1.1 网络延时数据流分析

5.1.2 网络延时的组成

5.1.3 网络延时产生的原因

5.1.4 提梁机网络控制系统分析的因素

5.2 TrueTime软件介绍

5.2.1 TrueTime软件概述

5.2.2 TrueTime工具箱结构和功能

5.2.3 TrueTime模块编程

5.2.4 TrueTime命令语言

5.3 在TrueTime中建模

5.3.1 整体模型

5.3.2 执行机构建模

5.3.3 网络建模

5.3.4 主控制器节点建模

5.3.5 分控制器节点建模

5.3.6 干扰节点建模

5.4 控制系统仿真

5.5 仿真结果分析

5.5.1 波特率对系统稳定性的影响

5.5.2 帧长短对系统稳定性的影响

5.5.3 控制节点运行周期对系统稳定性的影响

5.5.4 干扰信号对系统稳定性的影响

5.5.5 网络协议对系统稳定性的影响

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果