（机械电子工程专业论文）基于嵌入式linux的步进电机远程控制系统研究.pdf

d i s s e r t a 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 专碍凯佛 日期：2 。7 。年占月岔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 召月锣乙申 日期：劲7 d 年6 月铲日 导师签名： 圃 日期：加f o 年月 7 日 浙江工业大学硕士学位论文 基于嵌入式l i n u x 的步进电机远程控制系统研究 摘要 随着嵌入式技术和网络的发展，工业设备从基于总线技术的远程控制发展到了 基于i n t 锄e t 技术的远程控制。步进电机作为一种常见的工业设备，应用于工业上 的很多领域。研究步进电机系统控制技术与性能的提高对工业生产有重要意义的同 时，远程控制步进电机对于联盟式离散型工业企业生产，以及类似核电站等人不适 宜进入的场所和偏远地区的动力驱动非常有必要。 论文为了提高步进电机运行性能，对模糊p i d 理论进行了深入的研究，在分析 研究现有两种典型模糊p d 控制器的基础上，设计了改进型的步进电机自适应模糊 p i d 控制器并与m a t l a b s i i n u l i i l l 【中对步进电机模糊p i d 控制系统作了仿真对比 试验，验证结果表明所构建的模糊p d 控制器具有较为理想的控制效果。 论文以开源软件l m x 作为系统软件平台，删开发板为硬件平台，移植了嵌 入式步进电机系统所必须的启动引导程序、内核、根文件系统和远程控制需要的网 卡驱动，在此基础上，搭建b s 模式的远程控制系统，移植了b o a ( w e b ) 服务器，编 写了c 西网关程序，实现网页表单与服务器数据的交互，还移植了t e l n e t ，完成了远 程登录功能，重点利用了s 3 c 2 4 4 0 的p w m 功能实现了l i n u ) 【下步进电机的驱动和 应用程序，通过研究了步进电机升频加速曲线，设计了一种近似指数加速曲线算法。 最后，对所设计的电机远程控制系统在实验室环境进行了测试，结果表明电机远程 控制系统运行稳定，电机在启动加速时无失步，振荡现象。 关键词：步进电机，模糊p d ，嵌入式l i i l l l ) 【，远程控制 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h es t e p p i n gm o t o r r e m o t ec o n t o ls y s t e mb a s e do n e ；e d d e dl i n u x a b s t r a c t w 曲m ed e v e l o p m e mo fe i l l b e d d e dt e c l l i l o l o g y 锄dn e 研o r ki n d u s t r i a le q u i p m e m d e v e l o p e d6 1 0 mt h eb u s - b a s e dr e m o t ec o n t r o lt o i i n e m e t b a s e dr e m o t ec o n t r o l - a sa c o m m o nu s ei n d u s t r i a le q u i p m e n t ，s t 印p i i l gm o t o ri su s e di nm 锄yi n d u s t r i a la r e a s i ti s s i g n i f i c a mf o ri n d u s 仃i a lp r o 山l c t i o nt 0i m p r 0 v es t 印p i n gm o t o rs y s t e mp e r f o r n l a n c e ，趾d i ti sa l s om u c hn e c e s s a qt l l a tm es t 印p 谊gm o t o r s 崩n o t ec o 劬r o lb eu s e di i l 谢d ef 觚go f u n s u i t a b l et 0a c c e s sa r e a s 吼i c ha sn u c l e a rp o w e rp l a n to rf 打d 印a r t m e n t h lo r d e rt 0i l i l p r o v es t 印p i n gm o t o r 叩e r a t i l l gp e r f o m a i l c e ，也ed i s s 鲫眦i o nf o c u so n s m d 灿gi nm et h e o r yo f 觎冽p md e e p l y 1 1 1 em 抽铆ok 越so fm z z yp i dc o n 仃o l l e r w e r ea i l a l y s e d o nt h i sb a s i s ，t 1 1 ep a p e rd e s i g n e da 证l p r o v e dv e r s i o no fs t 印p i i l gm o t o r a d a p t i v ef h z z yp dc o n 舡d 1 1 既s t e p p i n gm o t o r s 矗l z z yp d c o n 仃o ls y s t 锄w a ss 血u l a t e d a n dc 伽叩邪e db ym a t l 墟s i m u l i l l k e x p e r i i n e n t sv e r i f i e dt h a tm ec o n s t r l l c t e d 娩z y p dc o n 臼0 l l e ri s 锄i d e a lc o n t r 0 1m e t h o d 1 1 1o r d e rt 0a c m e v eh l t 锄e t - b a s e dr e m o t ec o n t r o lo fs t 印p i n gm o t o rs y s t e m s ，l i n u x o p e ns o l n c ea sm es y s t e ms o 胁a r ep l a t f o n n ，a r md e v e l o p m e n tb o a r d 弱t l l ek u 如a r e p l a t f o 衄，d i s s e r t a t i o np o r tt l l eb o o t l o a d k e m e l ，r o o tf i l es y s t e ma i l dt h en 咖o r kc a r d d r i v e rf o rr e i i l o t ec o n 仃d l ，a l lo f 也a ta r en e c e s s a r yf o re r i i b e d d e ds t 印p i i l gm o t o r s y s t e m s t h e nd i s s e n a t i o nb u i l tar e m o t ec o n 仃o ls y s t e mb 嬲e db sm o d e ，仃a n s p l a n t st h eb o a s e r v e “w e b ) ，c 伽叩i l e 也ec 百g 稚料a yp r o 黟锄t 0r e a l i z ei n t e r a “0 nb e t 、) i ，e e nw e bf 0 皿 纽dt 1 1 es e r v e rd a t 玛仃a n s p l a n tt e l n e tw h i c h i m p l e m e n t sr e l n o t el o g i l lm n c t i o n t h ek e y w o r ki st l l er e a l i z a t i o no ft h es t e p p e rm o t o r s 如v c r 锄d 印p l i c a t i o n sp r o 伊锄i nl i n _ u ) 【b y s 3 c 2 4 4 0 sp w m 觚c t i 吨s 砌) ，i n gm es t 印p i n gm o t o rs p e c dc u n ，eo fi n c r c a s 吨 浙江工业大学硕士学位论文 = 一一一 肌q u e n c ya n dd e s i 蛐n g 锄a p p r o x i i n 撕o na l g o r i 也mo fe x p o n 锄i a ls p e e d c u r v e f 胁1 l y ， n l ed e s i 印e d s t e p p i l l gm o t i d rr e m o t ec o r l 仃o ls y s 白巴mw 鹬t e s t e di nal a b o r a t o 珂 e n v 的n n l e n t ，t l l er e s u l t ss h o wt h a tt h es t 印p i n gn 1 0 t o rr e m o t ec o n 们ls y s t e mi s s t a b l e ， 讹l e 也em o t o ri ss t a n i n ga n d a c c e l e r a t i n 舀t h e r ei sn oo u t - o f s t 印o ro s c i l l a t i o n k - e yw b r d s ：s t 印p i n gm o t o r 呦p d ，e m b e d d e dl m 代m ：1 0 t ec o n n l o l 浙江工业人学硕士学位论文 目录 摘要一i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1课题研究的目的和意义1 1 2 电机控制技术2 1 3 远程控制系统简介3 1 4 1 5 1 6 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 第4 章 4 1 1 3 1 远程控制系统组成3 1 3 2 远程控制发展4 1 3 3 远程系统的控制方式6 嵌入式l i n l l 】【简介及优势7 问题的提出与主要研究内容8 本章小结9 步进电机模糊控制系统构建及仿真1 0 弓f 言10 2 1 1 模糊控制系统组成和原理1 0 2 l2p i d 控制原理1 2 2 1 3 模糊p i d 控制基本原理1 4 步进电机模糊p i d 控制器设计1 4 2 2 1 常规模糊p i d 控制器1 4 2 2 2 步进电机模糊p i d 控制器设计。1 5 2 2 3 步进电机数学模型建立2 2 p d 参数整定2 4 2 3 1z n 阶跃响应法2 4 2 3 2z n 临界比例度法2 6 2 3 3 步进电机传递函数拟合成带有时间延迟的一阶模型2 8 步进电机控制系统仿真3 1 本章小结3 3 步进电机控制系统a r m l 心x 平台设计与实现3 4 删微处理器与嵌入式l 油u ) 【操作系统3 4 嵌入式趾u v i l 吼开发平台构建3 5 启动引导程序，l i i l u x 内核，文件系统，驱动移植。3 6 3 3 1 启动引导程序移植3 7 3 3 2l i n u x 内核移植3 8 3 3 31 i n u x 根文件系统建立4 0 3 3 4y a f f s 文件系统移植4 l 3 3 5 网卡芯片驱动移植4 2 本章小结4 4 步进电机远程控制系统软件实现4 5 基于w e b s e r v 盯的远程控制4 5 4 1 1 嵌入式w e b 服务器结构4 5 4 1 2w e b 服务器b o a 移植4 6 浙江工业大学硕士学位论文 4 1 3 远程端网页程序与c g i 4 7 4 21 i i l l l x 下步进电机驱动程序设计实现51 4 2 11 i n u x 驱动程序结构5 1 4 2 2l i n u x 下步进电机驱动实现5 3 4 2 3l i n u x 下步进电机应用程序及升频加速研究5 9 4 3 t e d 厄t 在嵌入式平台上的应用及远程登陆安全性6 5 4 3 1 嵌入式平台远程登陆及安全性6 5 4 3 2t e l n e t 远程登陆及移植6 6 4 4 本章小结6 8 第5 章步进电机远程控制系统硬件实验平台及测试6 9 5 1 现场端硬件平台6 9 5 2 基本网络环境配置7 1 5 3 步进电机控制系统测试7 3 5 3 1t e l n e t 远程登陆测试7 3 5 3 2 步进电机远程控制测试7 3 5 4 本章小结7 6 第6 章结论与展望7 7 参考 文献7 9 致谢8 2 攻读学位期间发表的学术论文目录8 3 - 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电动机广泛应用于机械、纺织、矿山、冶金、钢铁、化工等行业，这些行业 中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。有效地控制电动机，提高其运行性 能，对科技和经济发展具有重要的意义。目前在数控生产、经济型定位系统改造 及机器人等定位系统的应用领域中，有三分之二以上采用的是步进电机作为伺服 控制系统的【l 】。步进电机是精密仪器仪表中常用的自动化执行部件，具有快速起 停、精确步进、易于控制等优点。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位 移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速及停止的位置只取决于脉冲 信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机 则转过一个步距角。步进电机一般应用于开环控制系统中，但是受制造工艺的影 响，步进电机一般步距角较大，且有低频振动和噪声等缺点，不能应用于精度及 平稳性要求较高的场合【2 训。 随着工业的发展，嵌入式技术的应用越来越广泛和成熟，特别是a r m 等3 2 位高性能，低功耗嵌入式处理器的出现，支持多种操作系统，主频高，运算处理 速度快，利用删为内核的嵌入式处理器进行运动控制系统的开发，有着广阔 的发展空间。与此同时，l i n u x 操作系统也在嵌入式领域蓬勃发展，它继承了 l i m 源码开放，内核稳定及软件丰富的特点，并且支持主流处理器的硬件平 台，嵌入式硬件和i ，i n i 软件的结合成为后p c 时代计算机最普遍的应用形式。 同时，随着i n t e n l e t 技术的发展，传统的d c s ( 集散控制系统) 工业控制系统面临 着挑战。在工业应用中，为了实现多个微控制器之间的通讯，利用c a n 、r s 2 3 2 及r s 4 8 5 等总线将微控制器组网，构成网络控制系统( n e t 、) l ，o r kc o n 仃d 1s y s t e m ， 简称n c s ) ，即网络化的控制系统，又称为控制网络【5 】。但是大多数覆盖的面积 有限，各种网络通信协议不同且设备兼容性不好。嵌入式i i l t e n l e t 的原理就是一 种将嵌入式系统与i m e n l e t 相结合，把嵌入式设备接入i n t e m e t 的技术，利用该 技术可将i i l t e m e t 从p c 机延伸到1 6 位以及3 2 位嵌入式系统，并实现基于1 1 1 t e n l e t 浙江工业大学硕士学位论文 的远程数据采集、远程控制等功能，大大扩展i n t e m e t 的应用范围。由于工业控 制设备中大量存在嵌入式设备，因此将嵌入式设备接入i n t e m e t ，利用嵌入式 i n t e n l c t 实现工业设备的远程控制将成为当前工业自动化领域研究的热点。 本文以步进电机为对象，结合现代控制理论，进行步进电机控制系统研究， 构建嵌入式步进电机控制系统并接入网络，实现远程控制，在现实工业控制中具 有实际价值和重要意义。 1 2 电机控制技术 电机控制走过了漫长的历程。电机控制系统的发展从主传动机电能量转换角 度来说，由机械控制系统、机械和电气联合控制系统发展到全电气控制系统。从 控制策略来说，最初是低效有级控制( 如直流电机电枢回路串分级电阻调速、统 线式感应电机转子回路串电阻与鼠笼式感应电机变极调速) ，接着是低效率无级 控制( 如感应电机改变转差率调速) ，后来又改进成高效率无级控制( 如直流电机斩 波调压调速、交流电机变频调速、交流电机矢量控制与直接转矩控制系统) ，现 在已经发展到高性能智能型控制系纠6 。酗( 如自适应系统参数辨识与自校正控制 或神经网络控制、模糊逻辑控制等电机控制系统) 。 控制理论的发展史，通常分为三个阶段：第一阶段是4 0 年代兴起的以调节原 理为标志的经典控制理论阶段；第二阶段则是以6 0 年代兴起的以状态空间为标志 的现代控制理论阶段；第三阶段则是8 0 年代兴起的智能控制理论阶剧9 1 0 1 。 模糊控制是近代控制理论建立在模糊集合论基础上的一种基于语言规则与 模糊推理的控制理论，它是智能控制的一个重要分支。模糊集合和模糊控制的概 念是由美国加州大学教授l a z a d e h 在其f u z z ys e t s 及f u z z y a l 9 0 r i t h m 等 论著中首先提出的。模糊控制是根据对控制对象的粗略知识以及人们的生产技能 等知识，导出自然语言的控制规则，利用模糊理论进行控制的一种控制方法【l l 1 2 j 。 p i d 控制器最先出现在模拟控制系统中。传统的模拟p i d 控制器是通过硬件 ( 电子元件、气功和液压元件) 来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到 计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称作数字 p i d 控制器，所形成的一整套算法则称为数字p i d 算法。数字p i d 控制器与模拟 p d 控制器相比具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因 浙江工业大学硕士学位论文 此可以得到更好的控制性能。n g 在模糊控制理论中首次严格地建立了模糊控 制器与传统控制器的分析解关系，其中最重要的是证明了m 锄d a i l i 模糊p i 型控 制器是具有变增益的非线性p i d 控制器，这些工作为模糊控制理论与传统p d 控制理论相结合建立了桥梁【1 3 16 1 。 本文将模糊控制理论与p i d 技术结合起来，分析了现有的常规模糊p i d 理 论，阐明了他们的不足，提出了改进型的自适应模糊p i d ，并应用于步进电机控 制系统，以得到更优的效果。 1 3 远程控制系统简介 远程控制技术是指用户利用计算机通过网络系统实现对远程现场环境状态 的监视和控制，能够实现远程控制的计算机软硬件系统称为远程控制系统，即控 制器和监控对象在地理位置上进行分离。 1 3 1 远程控制系统组成 远程控制技术由于通信和网络技术的发展得以快速的发展。远程控制一般支 持以下网络方式：l 埘、。a n 、w a n 、拨号方式及i n t e n l e t 方式。此外，有的 远程控制软件还支持通过串口、并口、u s b 及红外端口来对有限距离范围内的 远程机进行控制。远程控制系统可以划分为：远程监控终端系统、远距离数据传 输系统、现场设备监测与控制系统三部分。三者从理论上相互独立，自成体系， 又分工协作构成整个远程控制系统。远程控制系统模型1 7 1 如图1 1 。 远程监控 终端系统 远距离数据 传输系统 现场设备监测 与控制系统 图1 1 远程控制系统模型 + 控制数据 一 状态数据 远程监控终端系统：远程用户可以是远程监控和诊断中心，也可以是普通远 程用户。远程监控终端系统是远程用户与现场设备进行交互的界面。从功能角度 浙江工业大学硕士学位论文 来看，包括远程设备状态的终端显示、控制命令及参数的输入、对命令参数和状 态数据进行必要的处理以及其他操作。个人通用计算机是远程监控终端软件的主 要操作平台，即计算机为其主监控机。对于复杂的专业性较强的远程监控及故障 诊断中心，用户为专家或设备制造者，其监控和诊断的进行，除通过监控计算机 外，还辅助以一定的故障诊断或设备控制的专家系统。 远距离数据传输系统：远距离数据传输系统是整个远程监控系统的基石，远 程数据传输系统作为远程控制的信息传输通道，进行各类控制数据的传输。传输 的目的就是将现场的设备状态信息尽快的传输到监控端，使操作人员通过对现场 设备状态的了解，决定下一步的措施( 比如通过传输系统发出控制命令等) ；另外 还需将监控端的控制信息传输到现场的控制主机，对设备进行控制。通信网络基 本采用有线和无线网络通信技术，如无线接入，p s t n ( 公共电话网) ，i n t e r n e t ( 因 特网) 等。 现场设备监测与控制系统：现场设备监测与控制系统是直接对现场设备进行 监测控制的系统。监控终端的控制数据对设备进行控制，同时监测设备的状态， 并作必要的分析，再将这些状态通过传输通道反馈到监控端。现场设备监控系统 一般包括现场信号采集和处理单元、设备直接控制单元、信号的传输线路，信 号的接收、转换设备以及监控计算机等，实际上可以看作以计算机为中心的集现 场控制、管理、数据采集为一体的监控系统。这里的计算机如果采用嵌入式处理 器来实现，则包含了网络接口单元、数据采集与发送单元和保护单元等。它通过 远程数据通信系统，与远程监控终端建立连接，向远程监控终端反馈设备运行状 态，接收并执行远程监控终端发送的控制命令。 1 3 2 远程控制发展 远程控制能给人们带来很多便利，所以一直以来都是控制学界研究的热点。 但是长期以来由于信息传送技术的限制，所谓的远程控制只是在有限的距离内将 控制器和被控对象进行分离，而且这种分离只在固定的控制器和被控对象之间进 行。随着计算机技术、通信技术、控制技术特别是网络技术的快速发展，必将给 远程控制领域带来新的发展和变革。 早期的远程控制系统采用计算机总线实现控制器和被控对象之间的数据交 浙江工业人学硕上学位论文 换。采用计算机总线技术可以保证传输的速率达到1 3 3 m b s ，但它们的最大传输 距离只有1 0 0 米，而且控制器和被控对象之间是通过固定通信线路进行一对一控 制的。采用异步串行通信技术进一步增大了传输距离，例如采用r s - 2 3 2 标准时， 在1 0 m b s 传输速度下，其最大传输距离为1 2 0 0 米，r s - 4 8 5 在1 0 m b s 速度下， 理论最大传输距离可以达到1 5 千米，从本质上讲，异步串行通讯技术只是计算 机总线技术的扩展。并且上述通信方法都存在抗干扰能力差、传送距离短、传输 速度低、节点数少及不容易形成网络化等缺点。虽然r s 4 8 5 串行通信方式的最 大传输距离理论上可以达到1 5 千米，但是，随着传输距离的延长，其传输速率 下降严重，因此不是特别适合用于远程控制。 8 0 年代末9 0 年代初出现了一种新的工业控制技术现场总线，它是一种 先进的工业控制技术，它将当今的网络通信观念引入了工业控制领域，最大的变 化是一台控制器可以简单的实现对多台被控对象进行控制。现场总线技术的兴 起，改变了控制系统的结构，使其向网络化方向发展，形成了对人类生产、生活 有着重要影响的另一类，即控制网络。这是一项集嵌入式系统、控制、计算机、 数字通信和网络为一体的综合技术。 在现场总线的十几年发展中，出现了好几种现场总线技术，并且得到了逐步 的推广应用，其中最有代表性是c a n 总线，其应用范围己扩展到汽车业、机械 工业、纺织机械、农业机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器以及传感 器等领域。c a n 己经形成了国际标准，并已被公认为几种最有前途的现场总线 之一。c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模式基础上的。不过， 其模型结构只有3 层，即只取o s i 底层的物理层、数据链路层和应用层。由于 c a n 的数据结构简单，又是范围较小的局域网，因此不需要其它中间层，应用 层数据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据且结构层次少，有利于系统中 实时控制信号的传送。但现场总线模型在进行数据传输的时候需要特定的模块， 设备描述和传送块以及通信栈，这样就大大降低了网络的互连性，使现场总线控 制系统成为一种不能开放、可操作的网络化控制系统。此外，现场总线目前尚处 于低速阶段，难以满足数据高速传输的需要，并且传输还是在有限空间内进行的。 随着i n t e m e t 技术遍及世界的每一个角落，多个计算机网络之间可以进行互 连，形成开放式的互联网，即互联网可以保证不同机制的网络之间的连接和通信。 为此人们把i n t e m e t 技术引入了远程控制领域，基于n e n l e t 远程控制具有很高 浙江工业大学硕上学位论文 的灵活性，不受地理条件的限制。以i n t e n l e t 为代表的计算机网络的迅速发展及 相关技术的日益完善，突破了传统通信方式，不受时空限制和地域障碍，使更广 范围的通信变得相对容易，并且具有高通讯带宽、高稳定性等特点【j8 1 。再者， 支持i i l _ t e m 豉通信的网络设备比较多，设备成本比较低。因此，m e n l e t 拥有的硬 件和软件资源正在越来越多的领域得到应用，如电子商务、网上教学、远程医疗、 远程数据采集与控制、远程设备故障诊断等等。与此同时，高性能、高可靠性、 低成本的网关、路由器、中继器及网络接口芯片等网络互连设备的不断进步，又 方便了i m e m e t 和不同类型测控网络间的互连，这就为监控网络的普遍建立和广 泛应用铺平了道路。因此，基于h t e m e t 实现远程控制是工业系统远程控制下一 步的发展趋势。本文就是基于i n t e n l e t 的远程控制步进电机。 1 3 3 远程系统的控制方式 远程控制系统不同于本地的控制系统，设备连接起来后，系统内存在着非线 性，不确定的延时或是数据包的丢失。一般的控制系统分为开环和闭环控制，同 样接入网络的远程控制系统也存在着这两者之分【1 9 1 ，如图1 2 所示，本文的远程 控制是基于i n t e n l e t 的。 了 n 远程监测器 控制器+ 执行器+ 被控制对象 陬蕊li ；f 自口i 一 远程监控终端系统 现场设备监控系统 图1 - 2 基于i n t 即1 e t 的远程开环控制框图 控制器+ 口 执行器+ 远程监测器被控制对象 陬赢l譬；0f响哥广i一 远程监控终端系统现场设备监控系统 图1 - 3基于i n t 锄e t 的远程闭环控制框图 浙江工业大学硕士学位论文 开环和闭环控制系统最主要区别在于控制器所处位置不同。开环控制图中控 制器位于现场设备监控系统中，现场控制端计算机直接对被控对象进行完全控 制，远程控制终端只是对被控对象进行监视，在必要的时候进行干预。这样就要 求现场监控端不断地向远程监控端发送设备运行信息，而远程监控终端接收这些 数据状态并对被控对象进行监视与发出控制命令。 闭环控制的控制器位于远程监控终端系统中，控制器和被控对象是隔开的， 系统部件之间的控制信号和数据信号的传递是通过i n t 锄e t 。远程控制计算机通 过接收i n t e m e t 传来的现场的关键参数、控制参数以及设备的当前状态等数据， 经过一定的处理之后，再根据所采用的控制策略进行运算，将新的控制命令和参 数经过i n t e n l e t 传回到现场设备监控系统中，对被控对象进行控制，现场监控计算 机负责将控制命令和控制参数送给被控对象，并收集采集到的被控对象的状态数 据，对其进行简单处理后通过以太网传到远程控制计算机。由于远程控制计算机 性能比较高，可以实现一些相对比较复杂的算法，但是，由于控制器和被控对象 分布在i n t e n l e t 的两端，如果网络的延时比较大，系统可靠性难以得到有效保证。 目前，基于i n t e m e t 的远程控制系统在本质上还是采用开环方式。基于i n t e n l e t 的远程闭环控制系统很多只是在理论上研究，离实际应用还有一定的距离。 1 4 嵌入式l i n u x 简介及优势 嵌入式ij n u x ( e m b e d d e d ij n l l x ) 是指对标准i j n u x 经过小型化裁剪处理之后， 能够固化在容量只有几k 或者几m 字节的存储器芯片或者单片机中，适合于 特定嵌入式应用场合的专用i i n l l 】【操作系统。嵌入式i j n u x 是近年来国际上的一 个开发热点，国内外纷纷开展嵌入式i j n u x 的研究，由美国新墨西哥理工大学开 发的基于l i n u x 的嵌入式操作系统r t i j n u x ，已成功应用于航天飞机的空间数据 采集、科学仪器监控等领域【2 们。德国m o n t a s 协公司推出的m o n t a s t a “n u x 也己经在工业控制等领域得到了广泛的应用。在国内，中软总公司推出的嵌入式 l i l l u x 3 4 也己广泛应用于工业控制领域。红旗i j d _ u ) 【在工控和信息家电中也得 到了应用。嵌入式l i n u x 之所以可以获得如此广泛的发展有其特有的优势【2 1 】： ( 1 ) 广泛的硬件支持 支持广泛的计算机硬件，包括m o t o r o l a 、x 8 6 、a 1 p h a 、 m i p s 、a r m 7 浙江工业大学硕士学位论文 和n e c 等现有的大部分芯片，目前己经成功移植到数十种硬件平台，几乎能够 运行在所有流行的c p u 上。 ( 2 ) 开源、免费、成本低 商业操作系统都需要为每一个拷贝支付相当数量的费用，但是l i n u ) 【是免费 软件，只要遵守g p l 的规定，就可以免费获得拷贝。l i i l u ) 【下有同样遵循g p l 规定的c ，c + + ，j a v a 等一系列的软件工具开发包，从功能角度上看并不亚于商用 开发包，同时可以极大的降低开发成本。i j n l l ) 【软件源码全部公开，任何人可以 修改并在q 町u 通用公共许可证( g n ug e l l e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行。 ( 3 ) 内核高效稳定 l i n l l ) 【内核非常的健壮，在p c 硬件上运行时非常可靠稳定，移植到微处理 器删的l i n u ) 【内核运行起来也非常稳定。i j n u ) 【的内核设计精巧，其独特的 模块机制可以根据用户的需要，实时地将某些模块插入到内核或从内核中移走。 这些特性使得l i n u x 系统内核可以裁剪得非常小巧，很适合于嵌入式系统的需 要。 ( 4 ) 完善的网络支持功能 l i n u x 至诞生之日起就与i n t e m e t 密不可分，l i n u x 本身就是世界各地程序员 共同开发出来的操作系统，l i n u ) 【诞生于因特网并继承了u n 的特性，这就保 证了它支持所有标准的因特网协议，并且可以利用i j n u x 的网络协议栈将其开发 成为嵌入式的t c p i p 协议栈。此外，l i n ：1 1 ) 【还支持e x t 2 、f a t 3 2 、y 八f f s 2 、r o m f s 和j f f s 2 等文件系统，这些都为开发嵌入式系统应用打下了很好的基础。 1 5问题的提出与主要研究内容 目前工业设备的远程控制基本上还处在有限距离局域网内的控制，基于 i n t e n l e t 的远程控制很少真正运用与实际控制中，大多尚处于研究阶段，而步进 电机作为一种常见的工业设备应用于很多行业，在免费开源的i j n l l x 平台基础 上，对步进电机进行基于i m 锄c t 的远程控制进行探索研究，同时，研究智能控 制理论模糊p i d 对步进电机控制系统的影响对步进电机控制系统系能的改 进，具有重要的研究意义。 本课题研究的是基于删+ l i n u x 的步进电机远程控制系统。其主要研究 浙江1 = 业大学硕士学位论文 内容包括：基于模糊p i d 算法搭建闭环步进电机控制系统，并在m a t 乙蛆中仿 真分析，以实现步进电机的最优控制；在嵌入式l i n u x 环境下构建一小型服务器， 从而将嵌入式设备接入网络，编写基于b s 结构的c g i 程序，实现远程页面的 控制。主要研究工作如下： 第1 章绪论部分阐明了本文的研究背景和意义，通过查看阅读国内外文献， 分析了远程控制的发展和基于网络的远程控制的方式，特别是工业控制领域的远 程控制，简要介绍了1 i i l _ i l 】【并分析了其作为嵌入式软件平台的优势。 第2 章对模糊p i d 理论进行了深入的研究，分析了现有两种模糊p d 控制 器存在的不足，设计了改进型的步进电机自适应模糊p i d 控制器，整定出了步 进电机模糊p i d 系统的三个重要参数，并与m a t i 。a b s i m u l i l l l 【环境中对步进电 机模糊p i d 控制作了仿真对比试验，验证了所构建的模糊p i d 控制器的有效性。 第3 章搭建了步进电机控制系统所必须的软件平台，构建了删l i n u x 开发平台，在此环境下移植了步进电机嵌入式系统所必须的启动引导程序、1 i n u x 内核、根文件系统和网卡驱动等，为电机的远程控制准备好了软件平台。 第4 章实现了基于b o a 服务器的b s 模式的步进电机远程控制。首先在l i n u x 下移植了b o a ，设计了网页程序和c 百网关程序，实现了远程端和服务器的数据 交互。研究了1 i n u 】【下步进电机的驱动程序和应用程序，实现了步进电机在l m u ) 【 下的正常运转，并研究了l i n u x 下步进电机的升频加速启动算法。最后移植了 t e l n e t 实现了系统的远程登录功能。 第5 章搭建了步进电机远程控制系统硬件平台，包括嵌入式开发板、步进电 机驱动器、步进电机、光电编码器和电源等。在实验室局域网环境下测试了电机 的远程控制性能。 第6 章总结了论文的主要研究成果，并对论文的不足和今后要做的工作做了 展望。 1 6 本章小结 本章绪论部分首先阐述了课题研究目的和意义，介绍了电机控制技术，详细 阐述了远程控制系统的组成和发展以及控制方式，然后简要分析了嵌入式l m u x 的背景和优势，提出了工业设备特别是步进电机远程控制的意义，最后讲述了本 文的主要研究内容。 浙江工业火学硕士学位论文 第2 章步进电机模糊控制系统构建及仿真 2 1引言 步进电动机是种将电脉冲信号转变为相应的角位移的设备。步进电机的开 环控制系统虽然具有操作方便、控制容易、维护简单等优点，但是随着工业技术 和微电子技术的发展，人们对步进电机的运行性能如精度、稳定等的要求越来越 高，所以合理的步进电机的控制方式，对步进电机控制系统的整体性能的提高有 重要作用。 由于步进电机调速系统的非线性等特点，目前步进电机伺服控制系统控制方 法比较滞后，并且步进电机内部构造复杂，难以用简单的数学模型表达，传统的 经典控制理论是建立在精确数学模型基础上的，很难应付系统中的一些不确定的 信息。而现代的智能控制理论如模糊，神经网络等理论则对步进电机的伺服控制 系统有较好的效果。因为简单的模糊控制与传统的p d 控制精度不高，本文将 模糊理论与p i d 理论结合对步进电机调速系统进行控制，发挥各自的优势，使 系统达到良好的效果。 2 1 1 模糊控制系统组成和原理 模糊控制是以模糊集合论作为它的数学基础，它的诞生是以美国加州大学的 自动控制学院教授l a z a d e h 于1 9 6 5 年首次提出了“模糊集合”的概念为标志 的【2 2 1 。模糊控制是根据对被控对象的知识总结和前人的生产技能等，抽取然后 导出自然语言控制规则，利用模糊理论进行分析并控制的一种方法。1 9 7 3 年， l a z a d e h 进一步研究了如何处理模糊语言，形成了模糊推理的理论基础。1 9 7 4 年k h m 锄d a m 提出了模糊控制，并第一次成功地将模糊数学应用于蒸汽机和 锅炉的控制，从此以后，模糊控制不断在新产品中应用并取得成功，如空调，洗 衣机，冰箱等。随着模糊控制与模糊系统的发展，计算科学、人工智能、模糊控 制将得到更加快速的发展【2 3 。2 6 】。 模糊控制系统是一种自动控制系统，它的理论基础是模糊数学、模糊语言和 浙江工业大学硕士学位论文 模糊逻辑推理，它是一种由计算机技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系 统。它的组成核心是具有智能型的模糊控制器。图2 1 是一种典型的模糊控制 系统结构图。 图2 1 模糊控制系统结构图 从图中可以看出，模糊控制系统由以下几个部分组成：模糊控制器、输入输 出接口、检测反馈、执行机构和被控对象。模糊控制系统与一般的计算机数字控 制系统整体结构区别不大，只是它的控制器为模糊控制器。模糊控制器是模糊控 制系统的核心，也是模糊控制系统与其他自动控制系统的一个重要差别。模糊控 制器中的模糊控制算法一般由计算机的软件程序和硬件实现，计算机可以是8 位、1 6 位、3 2 位单片机等各种类型的计算机，也可以是工控机。模糊控制器实 现流程如图2 2 所示。 图2 2 模糊控制器原理图 一般的模糊控制器的实现过程，包括以下几个方面的内容：( 1 ) 确定模糊控 制器的输入和输出变量；( 2 ) 设计模糊控制器的控制规则；( 3 ) 进行模糊化和去 模糊化；( 4 ) 选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并且确定模糊控制器 的参数； ( 5 ) 编制模糊算法的应用程序；( 6 ) 选择合理的模糊控制算法的采样时 间。 模糊控制的控制规律由程序实现，由图2 1 ，2 2 知其基本思想是：处理器 经对被控信号的采样获取被控对象的当前值，即反馈信号，反馈后与给定初始值 浙江工业大学硕十j 学位论文 比较得到偏差信号e ，然后偏差信号e 输入给模糊控制器，再把输入量e 模糊化 后的模糊量用相应的模糊语言表示并形成一个模糊子集，最后再由模糊子集和模 糊控制规则( 知识库) 根据推理进行决策，得到模糊控制量为：钇2p a 。式 中，u 为模糊控制的输出模糊量；r 为模糊控制规则矩阵。图2 2 中模糊推理环 节，它是模糊控制器重要组成部分，其推理是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理 规则来进行的，它的主要功能是将模糊推理所得的输出( 模糊量) 变换为实际可用 的清晰量。 2 1 2p i d 控制原理 p i d 控制是比例( p 蕾0 p o n i