（控制理论与控制工程专业论文）基于internet客户服务器方式的pmac运动平台远程监控研究.pdf

基1 ：i n t e m e t 客户，服务器方式的p m a c 运动平台远科监控研究 a b s t r a c t r e m o t es u p e r v i s i o n s y s t e m i st o s u p e r v i s et h er e m o t ep r o d u c t i o n o re x a m i n a t i o n p r o c e s s ，i m p l e m e n t e db yl o c a lc o m p u t e rt h r o u g hi n t e r n e t t h ec u r r e n ta c c e s sm e t h o d sa r e m a i n l yi n t e m e ta n di n t r a n e t a n dt h e s em e t h o d sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nv i d e om e e t i n g ， l o n g d i s t a n c em a c h i n i n gr u l e a n dl o n g d i s t a n c ed i a g n o s e i t sc o n s p i c u o u sa d v a n t a g ei s l o n g d i s t a n c es u p e r v i s i o n m o v e m e n tc o n t r o l l e ri sae q u i p m e n tt or e a l i z et h es c h e d u l et r a c kb yc o n t r o l l i n gt h e e x e c u t i n ge q u i p m e n td r i v e db ym o t o r i tm a k em a n yp r o d u c t i o ne q u i p m e n t st a k ean e w l o o kb y i t so w n a g i l i t ya n do u t s t a n d i n gc o n t r o la b i l i t yo f m o v e m e n tt r a c k ，i ng e n e r a li ti sa n u m e r i c a lc o n t r o ls e t t i n g t h ec u r r e n to ft h en u m e r i c a lc o n t r o l l i n gi st ob e c o m eao p e n n u m e r i c a lc o n t r o l l i n gs y s t e mt a k i n gm o v e m e n tc o n t r o l l e r t h i se x p e r i m e n t a t i o nt a s ki st o e x p l o r er e m o t es u p e r v i s i o ns y s t e mb yu n i t i n gn e t c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y a n dm o v e m e n t c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y t h e c o n t r o l l e ri s p r o g r a m m a b l em u l t i a x i s c o n t r o l l e r , p m a c ih a v ed e s i g n e ds e v e r a lc o n t r o lm e t h o d s s u c h a sp i d c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，r e g u l a t e sg a i n o f f u z z y c o n t r o la n dn e u r a ln e t w o l k c o n t r o l ，a n da p p l i e dt h e mt ot h ep l a t f o r m ，t h e ya r ep r o v e de f f e c t i v e b ya p p l y i n gn e tt h e o r y a n dw i n d o w sp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , i ti ss h a r e do r l i n t e r n e t t h i st a s kc a nm a k et h e e q u i p m e n to fo n el a bu s e db yt h es t u d e n t s ，t e a c h e r sa n dr e s e a r c h e r sa l lo v e rs c h o o l ，a n d m a k et h ee x p e r i m e n t a t i o np e r s o n n e ls e et h ew h o l e p r o c e s so ft h ee x p e r i m e n t a t i o nb yt h e v i d e ot r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y t h i sc a nm a k et h ep e r s o n n e lh a v eam o r ec o m p r e h e n s i v e s t u d yt ot h ee x p e r i m e n t a t i o n k e y w o r d s ： p m a c ，m o v e m e n tc o n t r o l l e r , r e m o t es u p e lv i s i o n ，v i d e ot e c l m o l o g y , b l u rc o n t r o l s m a r tc o n t r o l ，p i d ，n e u r a ln e t w o r k l i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 科学意义和应用前景 远程监控就是本地计算机通过网络系统实现对远端的生产或者实验过程的监视 的控制，目前大多采用接入i n t e m e t 或i n t r a n e t 的方式实现，这些方式已经应用在视 频会议、远程加工或远程诊断等领域，多媒体数字远程监控系统是以计算机为核心、 结合多媒体技术、计算机网络技术的一种监控主机系统。其明显的优点是在远距离的 监控方面。针对该系统的系统软件可在w i n d o w s 下实现，人机界面友好，汉字菜单， 图形化标识，容易操作，使用人员几乎不加任何培训就可掌握。本文结合目前比较先 进的网络技术，即数字视频技术、图象压缩技术、网络控制技术，研究智能实验室配 置的双轴运动平台，利用网眼p c 3 7 0u s b 摄影机将该实验设备的运动过程拍摄并实 时播放，供监控人员查看研究。双轴运动平台主要用于对各种智能控制律实验的实现 和观察。 另外随着自动化技术的发展，为实现计算机控制的设备轨迹运动，伺服电机控制 装置( 步进、交流、直流) 已越来越多地用于工业自动化设备的控制。过去这类伺服 电机控制装置的制造一直为少数大公司所垄断。由于各公司的控制策略不同，造成 公司的数控设备开放性差，升级、扩展和维护困难。随着c n c 技术更多地进入分布 式控制系统和f m s ，这种相对封闭的数控系统构成方式已不能适应用户对设备丌放 性、互换性和扩展性方面的需要，运动控制技术就是在这种情况下为解决这些问题而 提出的。所谓运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件 实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成 在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能可以能通 过计算机方便地调用。 运动控制器是军民用机电一体化产品与系统中的关键部件，可以说有伺服电机的 场合就需要运动控制器。它可以直接用于电子机械设备、机器人、数控机床、医疗设 备、液压控制设备、印刷机械等设备上。特别是最适用于非标准设备的快速丌发，具 有非常好的发展和经济效益前景。其应用领域包括：在航天应用方面的天线定位控制 空间摄像控制、激光跟踪控制、天文望远镜；食品加工方面的食品包装、家禽修整加 工机、精密切肉机；在工厂机床方面的无心磨床、e d m 机床、激光切割机床、铣床、 冲压机床。在军事应用，测试与测量，半导体测试及加工，产业制造等方面也有着广 泛的发展前景。 本系统所涉及到的是可编程多轴运动控制器p m a c ，也称作运动控制计算机，作 为世界上功能最强，技术最先进的开放式运动控制器p m a c 已同我们同常生活息息 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 科学意义和应用前景 远程监控就是本地计算机通过网络系统实现对远端的生产或者实验过程的监视 的控制，目前大多采用接入i n t e m e t 或i n t r a n e t 的方式实现，这些方式已经应用在视 频会议、远程加工或远程诊断等领域，多媒体数字远程监控系统是以计算机为核心、 结合多媒体技术、计算机网络技术的一种监控主机系统。其明显的优点是在远距离的 监控方面。针对该系统的系统软件可在w i n d o w s 下实现，人机界面友好，汉字菜单， 图形化标识，容易操作，使用人员几乎不加任何培训就可掌握。本文结合目前比较先 进的网络技术，即数字视频技术、图象压缩技术、网络控制技术，研究智能实验室配 置的双轴运动平台，利用网眼p c 3 7 0u s b 摄影机将该实验设备的运动过程拍摄并实 时播放，供监控人员查看研究。双轴运动平台主要用于对各种智能控制律实验的实现 和观察。 另外随着自动化技术的发展，为实现计算机控制的设备轨迹运动，伺服电机控制 装置( 步进、交流、直流) 已越来越多地用于工业自动化设备的控制。过去这类伺服 电机控制装置的制造一直为少数大公司所垄断。由于各公司的控制策略不同，造成 公司的数控设备开放性差，升级、扩展和维护困难。随着c n c 技术更多地进入分布 式控制系统和f m s ，这种相对封闭的数控系统构成方式已不能适应用户对设备丌放 性、互换性和扩展性方面的需要，运动控制技术就是在这种情况下为解决这些问题而 提出的。所谓运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件 实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和硬件集成 在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。这些功能可以能通 过计算机方便地调用。 运动控制器是军民用机电一体化产品与系统中的关键部件，可以说有伺服电机的 场合就需要运动控制器。它可以直接用于电子机械设备、机器人、数控机床、医疗设 备、液压控制设备、印刷机械等设备上。特别是最适用于非标准设备的快速丌发，具 有非常好的发展和经济效益前景。其应用领域包括：在航天应用方面的天线定位控制 空间摄像控制、激光跟踪控制、天文望远镜；食品加工方面的食品包装、家禽修整加 工机、精密切肉机；在工厂机床方面的无心磨床、e d m 机床、激光切割机床、铣床、 冲压机床。在军事应用，测试与测量，半导体测试及加工，产业制造等方面也有着广 泛的发展前景。 本系统所涉及到的是可编程多轴运动控制器p m a c ，也称作运动控制计算机，作 为世界上功能最强，技术最先进的开放式运动控制器p m a c 已同我们同常生活息息 基于i n t e m e t 客户用务器方式的p m a c 运动平台远程监控研究 相关。从卫星云图拍摄到经常吃的巧克力及薯片，从航天飞机及其制造到我们身着的 布料，从生物芯片制造到木材的加工等无不体现p m a c 高速高精度的控制给我们生 产带来的高效、优质。 本文对双轴运动平台的控制方法主要是p i d 算法和模糊控制、自学习模糊控制， 以及神经网络仿真等几种智能控制算法。智能控制是能够模仿人的智能行为的一种控 制技术，它是多学科相结合，并利用计算机技术实现的一门技术学科。智能控制是控 制理论、人工智能、运筹学、信息论等学科的交叉，并利用计算机作为手段向工程实 用和全面深入的发展。随着智能控制的蓬勃发展，它的形式也日新月异，目前正在兴 起和研究的形式很多，主要有分级式递阶智能控制( 包括自适应控制、自学习控制和 自组织控制) ，专家系统控制( 包括仿人智能控制和智能p i d 控制) ，模糊控制，人工 神经网络元控制、以及各种智能控制方法的交叉和结合方法、以及各种智能控制方法 与传统控制理论方法的交叉和结合方法。本文在p i d 控制算法、自学习控制算法、两 种模糊控制算法以及神经网络算法做了讨论、仿真以及对平台的控制。 基于i n t e m e t 的远程监控在科学研究方面有很重要的意义，因为在现代科技高度 发达的时代，对实验设备的性能、精度等要求越来越高，但是有些实验设备往往比较 昂贵，不是所有实验室都可以轻易配备的，而且如果每个相关实验室都拥有这样的实 验设备，其使用效率也不会很高，从而造成资源的闲置和浪费，本实验室配鼍的双轴 运动平台主要用于控制律的设计和实验，硬件软件的配置都比较完善，但是实验室场 地和人员有限，不可能让每个可能用到该实验设备的人员随时随地的进行实验，因此 可以将实验用到的软件和过程放在服务器上与互联网相连，这样校园网内的研究人员 就可以通过远端的另一台客户机对服务器的数据程序进行访问，可以在他自身的实验 室里对设备进行实验观测，既方便又可以充分利用资源。另外，在实际的科研中，一 些需要在某些恶劣环境下进行的实验往往又容易危害人体健康，这样在建立远程监控 后可以使研究人员。不必亲临工作现场，就可以看到设备的工作过程和工作结果。多 媒体的快速发展使得图像和声像能够准确实时的传送到远程控制端，使得整个过程声 形并茂，监控人员更加直观的观测。这种优点同样可以在实际生产过程中得到体现。 随着各种辅助技术的发展和远程控制技术中硬件、软件的不断改进加强，它可以广泛 的应用在电力，水电，教育，军事，公共设施等等领域。 基于互联网的远程监控软件可以把传统的计算机监控画面发布到网上，这样监控 人员就可以使用标准的浏览器或者对应的客户端软件进行监视，不但运行人员可以 看，其他人员可以看，在外地很远地方的领导和专家也可以看。这样就实现了所有有 关计算机监控系统和自动化系统之间的互连，把不同的自动化系统统一到一个控制平 台上来。远程监控的实现在管理工作、生活等多方面都为我们带来巨大的进步。在工 业控制方面，随着生产规模的增大，网络技术亦发挥了巨大作用，人们可以把各利t 控 南京航空航天大学硕士学位论文 制仪表、检测仪表、可控制器等控制设备利用网络技术连接起来，组成工业控制网络， 而且有的控制网络还要与管理网络进行连接，以发挥更大的效益。当与i n t e r n e i 网络 连接上后，合法用户可以通过i n t e r n e t 网络上任一台p c 对其控制网络进行远程控制 与监测。 1 2目前国内外的研究现状和分析 国际上，在2 0 世纪就提出远程访问控制的设想，但又由于利印 条件的限制直到 几年后才出现若干个远程控制的实验模型，而且这些模型的一个共同特点是控制指令 相对简单，控制参数相对较少以及时序复杂度较小。最近由于各种软件、硬件技术的 飞速发展，特别是音频，视频技术的迅猛发展，远程监控技术有了很大的进步。其中 视频监控系统将会有越来越广泛的应用。 国外在上个世纪的9 0 年代就在远程监控方面有了很多的研究，除了早期在星际 探索上对机器人的应用外，还在其他实际领域进行了探索研究。1 9 9 3 年美国国家航 空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学成功地进行了机器人远程分布 式控制试验。该项试验是通过i n t e m e t 在j o h n s o n 航天中心控制位于t e x a s a & m 大学 和t e x a s 大学a s u t i o n 分校的机器人，并同时在a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测 和性能分析。1 9 9 4 年美国南加州大学完成m e r c u r y 项目：该项目允许远程用户通过 w e b 浏览器控制一机械手进行文物挖掘。同时南加州大学在i n t e m e t 上已公丌的另一 个比较有趣的项目是“t e l e g a r d e n ”：w 曲访问者可以控制一个a d e p t 机械手进行种 植，灌溉花园等活动。与此较类似的有英国b r a d f o r d 大学工业技术系( d e p l i n d u s t r i a l t e c h ) 于1 9 9 6 年研制的名为b r a d f o r d r o b o t i c t e l e s c o p e 天文望远镜。该天文 望远镜已在i n t e m e t 上对外开放，天文爱好者可以通过w 曲浏览器访问其主页，控制 望远镜的角度和焦距，而且一般可以在第二天从你的e m a i l 信箱里收到观测结果。另 外还有b e r k e l e y 大学研制的m e c h a n i c a l g a z e 系统，西澳洲大学的t e l e r o b o t 等。 我国在远程网络监控方面的发展也在大踏步的进行，同样在高校中也有很多机构 对网络远程监控进行研究，国内各企业单位对远程控制系统的需求也很大，远程监控 系统的便于研究人员处理、适于远距离传输、易于维护的管理等优点使得它在各个领 域和各种市场都有很好的开发前途。然而，与市场状况矛盾的是，我国有许多高技术 研究和系统开发，已有一批可以实用化的成果。而且就目前先进的远程数字视频监控 系统而言，在视频压缩、分析、传输、存储和分级控制等方面仍有待提高和完善。因 此，加强产业界与科技界的合作，开发技术含量高的产品，是我国监控行业值得关注 的问题。特别是加入w t o 后，随着更多的国际品牌、有实力的国外公司的进入，势 必会对我国尚不成熟的监控市场带来冲击。加强产、学、研的结合，加大科技开发投 入，已势在必行。相信在不久的将来，监控系统与运动控制系统的结合将会在航天、 航空、机械、工厂、甚至是日常生活中的到广泛的应用，成为我们不可或缺的一部分。 3 南京航空航天大学硕士学位论文 制仪表、检测仪表、可控制器等控制设备利用网络技术连接起来，组成工业控制网络， 而且有的控制网络还要与管理网络进行连接，以发挥更大的效益。当与i n t e r n e i 网络 连接上后，合法用户可以通过i n t e r n e t 网络上任一台p c 对其控制网络进行远程控制 与监测。 1 2目前国内外的研究现状和分析 国际上，在2 0 世纪就提出远程访问控制的设想，但又由于利印 条件的限制直到 几年后才出现若干个远程控制的实验模型，而且这些模型的一个共同特点是控制指令 相对简单，控制参数相对较少以及时序复杂度较小。最近由于各种软件、硬件技术的 飞速发展，特别是音频，视频技术的迅猛发展，远程监控技术有了很大的进步。其中 视频监控系统将会有越来越广泛的应用。 国外在上个世纪的9 0 年代就在远程监控方面有了很多的研究，除了早期在星际 探索上对机器人的应用外，还在其他实际领域进行了探索研究。1 9 9 3 年美国国家航 空航天局( n a s a ) j o h n s o n 航天中心与德州的四所大学成功地进行了机器人远程分布 式控制试验。该项试验是通过i n t e m e t 在j o h n s o n 航天中心控制位于t e x a s a & m 大学 和t e x a s 大学a s u t i o n 分校的机器人，并同时在a r l i n g t o n 分校和r i c e 大学进行监测 和性能分析。1 9 9 4 年美国南加州大学完成m e r c u r y 项目：该项目允许远程用户通过 w e b 浏览器控制一机械手进行文物挖掘。同时南加州大学在i n t e m e t 上已公丌的另一 个比较有趣的项目是“t e l e g a r d e n ”：w 曲访问者可以控制一个a d e p t 机械手进行种 植，灌溉花园等活动。与此较类似的有英国b r a d f o r d 大学工业技术系( d e p l i n d u s t r i a l t e c h ) 于1 9 9 6 年研制的名为b r a d f o r d r o b o t i c t e l e s c o p e 天文望远镜。该天文 望远镜已在i n t e m e t 上对外开放，天文爱好者可以通过w 曲浏览器访问其主页，控制 望远镜的角度和焦距，而且一般可以在第二天从你的e m a i l 信箱里收到观测结果。另 外还有b e r k e l e y 大学研制的m e c h a n i c a l g a z e 系统，西澳洲大学的t e l e r o b o t 等。 我国在远程网络监控方面的发展也在大踏步的进行，同样在高校中也有很多机构 对网络远程监控进行研究，国内各企业单位对远程控制系统的需求也很大，远程监控 系统的便于研究人员处理、适于远距离传输、易于维护的管理等优点使得它在各个领 域和各种市场都有很好的开发前途。然而，与市场状况矛盾的是，我国有许多高技术 研究和系统开发，已有一批可以实用化的成果。而且就目前先进的远程数字视频监控 系统而言，在视频压缩、分析、传输、存储和分级控制等方面仍有待提高和完善。因 此，加强产业界与科技界的合作，开发技术含量高的产品，是我国监控行业值得关注 的问题。特别是加入w t o 后，随着更多的国际品牌、有实力的国外公司的进入，势 必会对我国尚不成熟的监控市场带来冲击。加强产、学、研的结合，加大科技开发投 入，已势在必行。相信在不久的将来，监控系统与运动控制系统的结合将会在航天、 航空、机械、工厂、甚至是日常生活中的到广泛的应用，成为我们不可或缺的一部分。 3 基于i n t e r n e t 客户月务器方式的p m a c 运动平台远程监控研究 1 3 基本任务和要求 由于种种原因，对于一台给定的设备，用户要想一下子就能( 熟练地) 操作，恐 怕是不现实的，因为配套的软件不具有一个友好的界面，要想操作，必须花费大量的 时间来消化资料之后才能对该设备有个大概的了解，然后再做一些后续的工作，才有 可能来驾驭它。 作为学生实验用的设备，考虑到学生多而资源有限，因此，需要开发一套网上实 验设备，通过校园网，使参加实验的学生能够在网上操纵实验设备，根据实验的要求 编写实验算法并观察到实验过程和结果。 本文所要实现的是将双轴运动平台用于网络共享，使得通过验证的合法用户能够 在网上控制双轴运动平台的运行，并且通过u s b 摄像仪器将运动过程拍摄送到客户 端，实现双轴运动平台的远程视频监控系统。 设备硬件主要包括p m a c 接口电路板，交流伺服电机，交流伺服驱动器，x y 轴运动平台等组件，软件包括用于i b m p c 及其兼容机的p m a c 可执行程序( 即配套 的工程机器语言) 。相同的设备共有两套。另外拍摄仪器是网眼p c 一3 7 0u s b 摄影机。 1 根据要求要在现有设备的基础上开发出p m a c 可编程多轴运动控制平台，以用于 教学的目的，或者服务于社会，以产生经济效益。根据不同情况，配以相应的组 件，开发出的平台可以完成不同的任务，做到系统闭环控制，单轴运行，两轴联 动实现。 2 在设备本身所具有控制方式的基础上，利用智能控制的知识，制定适当的控制规 则，使平台的运动能够具有智能化的伺服控制特性。 3 获得合法访问权限的客户机可以获得服务器的控制权，选择对设备的控制方式， 从而以不同的方法控制设备，获得不同的控制效果，取得实验信息，并且和视频 效果相结合，达到实验目的。 4 网眼p c 3 7 0 摄影机采用高解析度3 7 万像素c c d ，c i f 每秒3 0 格，硬体压缩方 式将视讯影像输入至电脑中透过网眼摄影机的高解析度影像的画面捕捉。利用网 眼拍摄控制影像，并将它传给远方客户端。 5 设计软件使得在校园网的任何一台安装上客户端程序的p c 机在获得合法身份验 证以后都能够访问到主机，并且在控制过程中双方数据的传输准确、迅速、可靠， 做到如同现场控制的效果。控制方式可以选择手动控制和程序控制两种，客户自 由选择，另外客户还可以上载或下载有关控制程序。 一 6 为了使多用户访问服务器，而服务器又可以专心致志地处理某l 台访问的客户机 的控制命令，并将拍摄的图像准确的发送到正在接受服务的客户机上。在内存中 开辟一个队列，接受该队列最大数目范围内的客户机个数的申请，将其i p 地址 保存，等当前客户机享受服务完毕服务嚣直接发出通知告知下一个客户机可以得 4 南京航空航天犬学硕士学位沦文 到服务，该客户机自动进入接受服务阶段，即可以发出控制命令。 7 校园网或者互联网为主干网，在实验室与设备处设服务器，通过校园网使各个用 户端能够在得到服务器允许后，对设备进行远程控制和观察运行结果。拟将该系 统分为四个部分：客户端、p m a c 仪器端、服务器端以及视频系统。 8 要求实时传输图像。在校园网的由可靠性和快速性的做保障的前提下，提供实时 传输是可行的。在互联网上由于传输速率的影响，往往不太容易做到实时， 委里 更有效的硬件和软件。 1 4 研究的主要内容、成果以及做出的贡献 由以上叙述可知本文的主要任务是： 1 实验结果的获取。对p m a c 卡的熟悉的基础上针对系统设计不同的控制方法和对 已有控制方法改进，包括传统的经典控制和智能控制。 2 现场实时拍摄直播。利用网眼p c 3 7 0 摄影机将实验过程拍摄下来，以供用户端 接收。并利用数据压缩技术、视频直播技术将庞大的多媒体信息传送给远端。在 本文中运用现在流行并且用途很广泛的流媒体技术，做到实时传输运动图像。 3 数据传输技术。要考虑将用户端的控制信号或实验结果以及视频数据的不同种类 的信号的不同传输特征和传输要求。 4 安全技术。服务器要进行用户的权限设置，任务的分配和调度，以及队列的协调 等等。 5 编写客户端和服务器端程序，在程序中实现所有功能，连接网络两端，程序界面 友好，操作简单，而且稳定直观。 6 最后本文对双轴运动平台的其他的控制方法的扩展提出了看法，并对网络实验室 的建立进行了展望。 1 5 本章小结 本章主要介绍了本课题研究的科学意义，以及它广泛的应用范围，使读者能够了 解到远程监控有很大的发展前途和应用前景。当前国内外对远程监控的研究和应用也 达到了很快的速度，国外对远程监控的研究已经很先进了，很多专门做远程监控设备 的公司已经根据不同客户的要求开发出了不同程度的产品，在国内这种发展也正在起 步阶段，各个高校和研究所也正在大力研究并开发不同要求的产品。不少高校和软件 开发公司合作也生产了一些产品，并且投放市场，以满足市场越来越大的需求，但是 远程航控的研究还有很大的发展空间。 本文根据模式识别与智能控制实验室的p m a c 实验设备，以及校园网的有利环 境，使p m a c 的远程监控系统得以实现，给出了本文研究的基本任务和要求。并对 围内外的发展现状做了较详细的分析。 南京航空航天犬学硕士学位沦文 到服务，该客户机自动进入接受服务阶段，即可以发出控制命令。 7 校园网或者互联网为主干网，在实验室与设备处设服务器，通过校园网使各个用 户端能够在得到服务器允许后，对设备进行远程控制和观察运行结果。拟将该系 统分为四个部分：客户端、p m a c 仪器端、服务器端以及视频系统。 8 要求实时传输图像。在校园网的由可靠性和快速性的做保障的前提下，提供实时 传输是可行的。在互联网上由于传输速率的影响，往往不太容易做到实时， 委里 更有效的硬件和软件。 1 4 研究的主要内容、成果以及做出的贡献 由以上叙述可知本文的主要任务是： 1 实验结果的获取。对p m a c 卡的熟悉的基础上针对系统设计不同的控制方法和对 已有控制方法改进，包括传统的经典控制和智能控制。 2 现场实时拍摄直播。利用网眼p c 3 7 0 摄影机将实验过程拍摄下来，以供用户端 接收。并利用数据压缩技术、视频直播技术将庞大的多媒体信息传送给远端。在 本文中运用现在流行并且用途很广泛的流媒体技术，做到实时传输运动图像。 3 数据传输技术。要考虑将用户端的控制信号或实验结果以及视频数据的不同种类 的信号的不同传输特征和传输要求。 4 安全技术。服务器要进行用户的权限设置，任务的分配和调度，以及队列的协调 等等。 5 编写客户端和服务器端程序，在程序中实现所有功能，连接网络两端，程序界面 友好，操作简单，而且稳定直观。 6 最后本文对双轴运动平台的其他的控制方法的扩展提出了看法，并对网络实验室 的建立进行了展望。 1 5 本章小结 本章主要介绍了本课题研究的科学意义，以及它广泛的应用范围，使读者能够了 解到远程监控有很大的发展前途和应用前景。当前国内外对远程监控的研究和应用也 达到了很快的速度，国外对远程监控的研究已经很先进了，很多专门做远程监控设备 的公司已经根据不同客户的要求开发出了不同程度的产品，在国内这种发展也正在起 步阶段，各个高校和研究所也正在大力研究并开发不同要求的产品。不少高校和软件 开发公司合作也生产了一些产品，并且投放市场，以满足市场越来越大的需求，但是 远程航控的研究还有很大的发展空间。 本文根据模式识别与智能控制实验室的p m a c 实验设备，以及校园网的有利环 境，使p m a c 的远程监控系统得以实现，给出了本文研究的基本任务和要求。并对 围内外的发展现状做了较详细的分析。 基，i n t e r n e t 客户朋务器方式的p m a c 运动平台远科监控研究 第二章实验系统的组成原理和设计 2 1 远程监控实验系统总体的硬件构成 2 1 1 系统硬件结构、控制实验设备及组成 本文所讨论的网络远程控制系统按照功能概括的可分为如下几部分：服务器、客 户机、摄像设备、控制实验设备。如下结构图所示： 图2 1系统硬件结构图 本系统采用的是双轴运动控制系统，包括控制器p m a c 接口电路板、交流伺服 电动机、交流伺服驱动器与x y 双轴运动平台等纽件。 双轴运动平台系统方块图如下： 图2 2 双轴运动控制系统方块图 2 1 2p a m c 控制器及其组成的控制系统 p m a c 的核心是m o t o r o l ad s p 5 6 0 0 1 ( 数字信号处理器) ，具有i o 功能，a d 、 d a 转换功能。平台的两个轴分别由两套电机和驱动器控制，而且两台电机和驱动器 基，i n t e r n e t 客户朋务器方式的p m a c 运动平台远科监控研究 第二章实验系统的组成原理和设计 2 1 远程监控实验系统总体的硬件构成 2 1 1 系统硬件结构、控制实验设备及组成 本文所讨论的网络远程控制系统按照功能概括的可分为如下几部分：服务器、客 户机、摄像设备、控制实验设备。如下结构图所示： 图2 1系统硬件结构图 本系统采用的是双轴运动控制系统，包括控制器p m a c 接口电路板、交流伺服 电动机、交流伺服驱动器与x y 双轴运动平台等纽件。 双轴运动平台系统方块图如下： 图2 2 双轴运动控制系统方块图 2 1 2p a m c 控制器及其组成的控制系统 p m a c 的核心是m o t o r o l ad s p 5 6 0 0 1 ( 数字信号处理器) ，具有i o 功能，a d 、 d a 转换功能。平台的两个轴分别由两套电机和驱动器控制，而且两台电机和驱动器 南京航空航天大学硕i ：学位沧文 都相l 司。 模块化、开放式结构是目前计算机数控系统发展的主流和趋势。随着自动化技术 的发展，人们对控制的要求越来越高，不仅要求响应速度快，精度商，而且要求刀：发 周期短，编程和操作简单。美国d e l t a t a u 公司d e l t a t a u d a t as y s t e m 可编程多轴控制 器p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i a x i sc o n t r o l l e r ) ，是一个拥有高性能伺服运动控制器的 系列，它通过灵活的高级语言可最多控制8 轴同时运动，通过一个功能强大的数字信 号处理器( d s p ) ，p m a c 给多轴控制器提供了一个前所未有的价格性能比。 p m a c 是一种非常灵活的运动控制器，它可以捅接于各种类型的主机，通过配接 各种类型的放大器、电机和传感器，应用于其软件和硬件的特性，可以设置和实现特 定的功能，完成特定的任务。它可以实现如下特性： 机床特性：每个轴6 0 微秒伺服更新率；ol 微英寸的分辨率；1 5 m h z 编码器输 入数据速率；程序块执行速率可达2 k h z ；用于消除谐振的阶式滤波器；刀具半径和 丝杠补偿；s 曲线加速。机器人特性：反向运动计算：分段轨迹生成；同时对多个轴 进行直线和圆弧插补的多轴控制。通用自动化：方便编程；脱机运行：丌放式结构。 p m a c 就是一台完整的计算机，它可以通过存储在它自己内部的程序进行独立的 操作。此外，它还是一台实时的多任务的计算机，能自动对任务进行优先等级判断， 从而使具有高的优先等级的任务比具有低的优先等级的任务能被先执行，这是很多个 人计算机上也无法实现的。即使是与一台主计算机连接到一起使用，它们之间的通信 应被认为是一台计算机与另一台计算机之间的通信，而绝不是主计算机和它的外围设 备之问的通信，在许多应用中，p m a c 能够执行多个任务并能正确的进行优先级排序 的能力，使它能够在处理时间和任务切换的复杂性这两个方面大大减轻主机和它的编 程器的负担。 p m a c 卡的突出特性是其开放性，这不仅表现在它控制轴数可以扩展，所联接的 被控剥象及传感器形式多样，更重要的是它在控制内核上实现了很大程度的) f 放性。 对控制算法而言，p m a c 提供了通用的比例+ 积分+ 微分和阶式位置伺服环滤波算法， 以及用以减小伺服系统轨迹误差的速度、加速度前馈算法和双位罱环反馈的能力。控 制算法巾各项参数的调节，只需简单改变p m a c 提供的运动控制变量，即使是非控 制专家也很容易调节控制器。p m a c 还允许使用者将自己设计的控制算法下载到板卡 的数字信号处理器中，这样，用户就可利用p m a c 在自己的系统小实现各利先进的 智能控制算法。 本文涉及的p m a c 型号为m i n i p m a c 。它是p m a c 运动控制系统中应用于双 轴控制的独，单元，使用p ci s a 总线与主机通讯( 也可以是串口通讯方式) ，可以列 每个轴输 h 速度命令，具有四个增量式码盘接口。p m a c 卡直接插入计算机的1 s a 总线插槽，无需外加电源。 基丁i n t e m e t 客户，服务器方式的p m a c 运动平台远程监控研究 p m a c 的系统软件p e w i n ( p m a c e x e c u t i v ef o r w i n d o w s ) 是设备自带的 功能强大的开发工具，能对系统进行控制和测试，创建和管理p m a c 应用系统t 提 供用户终端界面，设嚣系统参数，编写系统运动程序。它是基于w i n d o w s 操作系统 的可执行程序，它能够方便地配置、控制、调试p m a c 系统。p e w i n 充分利用了 w i n d o w s 窗r 操作环境的优点，功能十分强大。系统运动程序编写所采用的是一种特 定的机器语言，同时也兼容数控机床语言和g 代码。如代码x 1 0 0 ，表示命令平台在 x 方向运动1 0 0 个单位，单位可以由用户自行设定。但是p e w i n 仅仅是为用户提供 了一个编制p m a c 应用软件的方法和示例，它的设计思想也主要是面向普通的应用 场合，因此在一个具体的应用中使用p e w i n 这个具有强大兼容性的软件没有必要也 不切实际，p e w i n 的许多功能可能都用不上。可见，对于某一特殊的应用问题，p e w i n 就会缺少了解决好办法。 p a t l k d t 是d e l t at a u 的3 2 位驱动器p c o m 3 2 的用户界面。p t a l k d t 是用户 用a c t i v e xc o n t r o l 的形式开发的，它的应用可以减轻编写程序的繁重负担。p t a l k d t 可以灵活地应用于3 2 位版本的v i s u a lb a s i c ，v i s u a lc + + ，d e l p h i 或者c + + b u i l d e r 以及 任何支持a c t i v e x 控件的开发包。p t a l k d t 提供了同p m a c 的快速而稳定的通讯， 用户可以致力于人机界面的功能开发，而不必再在如何编写与p m a c “对话”的软什 ：花费太多心思了，p t a l k d t 为用户的应用程序提供与p m a c 即时通讯的能力。本 课题主要利用的就是p t a l k d t 软件。 p m a c 有四种变量：p 、q 、i 、m 变量，其中p 、q 、m 为用户变量，而i 变量 则是初始化变量，i 变量决定卡的工作特性，它们中的很多被用束f 确的配置电机， 一旦设定，这些变量就会被存在可靠的e p r o m 中，使得p m a c 可以正常运行。例 如本程序巾用到的j 1 3 0 0 1 3 5 为1 号电机的p i d 控制参数，详细参数的意义可见第六 章。p t a l k d t 继承p m a c 的这些功能，在执行运动程序前也要根据客户的要求对 p m a c 的变量进行设最。 下面对控制器在系统中的作用进行详细的阐述。 在整个实验系统设备中运动控制器是非常重要的一个部件，在控制的过程。 t 起到举足轻重的作用。运动控制器是通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控 制，以实现预定运动轨迹目标的装置。可以说，只要有伺服电机应用的场合就离不丌 运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力使许多工业生产设备焕 发出勃勃生机。运动控制技术是在以数字信号处理器d s p 为代表的高性能高速微处 理器及大规模可编程逻辑器件f p g a 的基础上发展而来的，它是广义上的数控装置。 数控技术的发展趋势就是采用运动控制器的开放式的数控系统。随着自动化技术的进 一步发展，运动控制器( 步进、交流、直流) 的应用已走出机械加工行、叱越来越多 地应用于其它t _ q k 自动化设备控制，如电子机械、木丁机械、纺织机械、印刷机械等 南京航空航天大学硕士学位论文 诸多行业。主要数控技术的发展趋势就是采用“p c + 运动控制器”的开放式数控系统， 不仅具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制精确、通用性好等特点，而且 还从很大程度上提高了现有加工制造的精度、柔性和应付市场需求的能力。美国将其 称为新一代的工业控制器，日本称其将带来第三次工业革命，并预测其应用将和现在 的p l c 一样普遍。 由控制器和伺服系统( 包括伺服驱动器和伺服电机) 组成的系统，在其具体的控 制的过程中，可实现闭回路定位，所谓的闭回路定位系统就是有反馈信号的输入。此 种的反馈信号，一般是用编码器( e n e o d e r ) 传入，但依照反馈的方式不同而又可分为 半闭回路系统和全闭回路系统。半闭回路定位系统的组成方式如图2 3 ： 图2 - 3 半闭环定何系统 此半闭回路系统是将伺服电机尾端的反馈信号反馈至驱动器，驱动器可以侦测到 电机是否定位不准，而控制器到驱动器之间的信号传输是送脉冲信号的方式到驱动 器，每送一个脉冲信号到驱动器，电机就转动一个静位，而当电机定位不准确时，驱 动器可以因反馈信号而知道电机已经不准，而输出e r r o r 信号并将伺服电机电力赢 接关掉，而此时控制器还不知道电机已经定位不准，而且若系统中控制器和驱动器之 间的脉冲定位信号受到杂波干扰，此脉冲干扰信号也会被送到驱动器而使电机旋转， 也就是驱动器无法察觉到系统的电机和驱动器之间的反馈信号所至，这使得系统的稳 定性降低。 而另外一种就是全闭环回路系统，这是最完全的回路系统，也是欧美伺服电机所 广为采用的一种控制方式。其组成如图2 4 ： 反馈倌号 图2 4全闭环回路控制系统 此定位系统和半闭环回路不同的是电机尾部的回馈信号是直接拉网控制器上而 不是拉到驱动器，直接由控制器来侦测反馈信号而此时的伺服驱动器只是一个类似放 9 基于i n t e r n e t 客户，服务器方式的p m a c 运动平台远程监控研究 大器的功能，由控制器送来的信号是电压方式，驱动器是根据此电压信号来调整伺服 电机的转速高低及方向，而定位功能则是由控制器来完成的，控制器会依据现在电机 反馈的状态调整所输出到驱动器的速度命令，所有的伺服参数都是在控制器上调整， 这种方式是完全的闭环回路，这时无需太多考虑控制器和驱动器之间的干扰信号，因 为反馈是直接回到控制器的就算控制器和驱动器直接的速度命令受到干扰而影月向到 电机此时控制器也会依照电机反馈的信号来校正输出的速度命令信号，完全的闭环问 路提供最安全稳定的控制系统。 本实验室采用的是后一种形式的控制方式，在木试验系统中p m a c 是一个独立 的运动控制器，必须与p c 机通讯才能完成机床的控制任务。通过p c 机的外设可实 现程序的输入、编辑参数的设置，运动状态的实时显示及软件仿真功能。利用双端口 r a m ( d p r a m ) 可以实现p m a c 与p c 机之间高速重复不需握手的数据通信，解决 了p m a c 与主控制处理器的通讯瓶颈问题，实现了系统的实时控制。 d c 输出 r 计 i s 总 燃 辅 船悄情q 度鹚静连挺 算 线连捷 p m a c 伺 垤 驱 服 动 机 t 串地动 电 皿 器 机 台 蕞挂地 ”黼4j _ 7 “、