PROFIBUS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實時性研究.pdf

1、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)(Networked Control System)是一種全分布式、網(wǎng)絡化的實時反饋控制系統(tǒng)，它綜合了工業(yè)網(wǎng)絡、通信和自動控制等多方面技術(shù)，NCS充分體現(xiàn)了控制系統(tǒng)網(wǎng)絡化、集成化、分布化及節(jié)點智能化的發(fā)展趨勢，具有很多優(yōu)點，近年來得到了廣泛的研究和發(fā)展。但同時網(wǎng)絡傳輸也會產(chǎn)生時間延遲、數(shù)據(jù)包丟失等問題，這不僅給NCS的分析帶來了困難，而且使得許多傳統(tǒng)的控制理論不能直接應用到NCS的設計當中。而在PROFIBUS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中

2、，實時性起著關(guān)鍵作用，直接影響著網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的性能。 在網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中，PROFIBUS是應用最廣的現(xiàn)場總線之一，作為現(xiàn)場級的工業(yè)控制網(wǎng)絡，PROFIBUS總線信息傳輸?shù)膶崟r性直接影響著整個控制系統(tǒng)的性能，PROFIBUS的實時特征是確保網(wǎng)絡控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。PROFIBUS主要采用主從節(jié)點、分布式令牌和優(yōu)先級等機制管理整個網(wǎng)絡的信息通信，但是對這些機制一直缺乏系統(tǒng)的研究。 本課題是以山東省自然科學基金資助項目“PRO

3、FIBUS現(xiàn)場總線關(guān)鍵技術(shù)應用研究”(Y2006G25)為背景展開的。論文的主要研究內(nèi)容包括： 1．綜述了網(wǎng)絡實時系統(tǒng)與PROFIBUS協(xié)議的特點，著重闡述了網(wǎng)絡控制系統(tǒng)存在的幾個主要問題及近年來的研究進展。 2．深入分析PROFIBUS協(xié)議工作機制和通信協(xié)議特點。在此基礎(chǔ)上，分析研究了PROFIBUS協(xié)議中影響實時特性的時間參數(shù)，以單主站系統(tǒng)為例，分析了高優(yōu)先級信息最大傳送延時的簡化計算方法，總結(jié)出了關(guān)于PROFIBU

4、S協(xié)議實時性能的計算方法。 3．我們利用兩種網(wǎng)絡仿真環(huán)境： Matlab/Simulink和TrueTime，分別建立了PROFIBUS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的仿真模型，并探索了數(shù)據(jù)包丟失率、網(wǎng)絡時延、網(wǎng)絡負載、信息調(diào)度算法等因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 4．在仿真模型的基礎(chǔ)上，分析網(wǎng)絡時延特性及對控制系統(tǒng)性能的影響，設計了自整定模糊PID控制器來改善系統(tǒng)性能，同時設計了Smith補償器來克服延遲環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)性能的影響，仿真結(jié)果驗證

5、了自整定模糊PID控制器和Smith補償器設計方法的有效性。 5．在控制學院網(wǎng)絡實驗室搭建了PROFIBUS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實時性能測試平臺，進行影響PROFIBUS網(wǎng)絡控制系統(tǒng)實時性能的主要因素的實驗研究分析，包括測試了主從站掃描周期與PROFIBUS通訊速率、網(wǎng)絡負載與測控周期、目標令牌循環(huán)時間設置與測控周期、從站數(shù)目與網(wǎng)絡循環(huán)時間、主從站掃描周期與通訊周期的關(guān)系，并用實驗結(jié)果對前面實時性理論公式的正確性進行了驗證。通過實驗數(shù)據(jù)