（机械设计及理论专业论文）usbcan转换模块与计算机实时仿真.pdf

! 一 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o i i jifilflflfi ii l l i lr lr l l l l y 18115 0 3 保密- a - 2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h ef01 u n i v e r s ic o nr m i t yw ier e a u i r e m e n t s r l r t h ed e g r e eo fm a s t e r u s b c a n a d a p t e r a n d c o m p u t e rr e a l t i m e s i m u l a t i o n s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a jo r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y c a n d i d a t e ：x i a n gl i a n g 一 一 s u p e r v i s o r ：p r o f y o n g m i n gb i a n m a r , 2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 翔 _ 出年p 廖日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注n g l 用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 辱瑚 。乃年；月他日 摘要 相比传统的结构与设备安装技术，计算机控制液压提升技术具有提升机构重 量重、高度高和尺寸大等优点。它是通过电液控制的方式实现的，整个系统由提 升油缸、液压泵站和计算机控制系统三部分组成。其中的计算机控制系统是整个 系统稳定工作的关键所在。通过控制系统，作为实时控制器的计算机控制柜控制 油缸提升。 本文首先介绍了计算机控制液压提升技术和控制系统中的实时控制器，并对 控制系统中网络控制所带来的数据流与延时因素进行了分析。随后，使用m a t l a b 中的t r u e t i m e 软件包对控制系统进行了建模和仿真，并分析了其中控制器处理 数据所带来的延时因素对于控制系统稳定性的影响。 接着介绍了c a n 总线协议与u s b 总线协议，讨论了使用设备采集c a n 总线上 的数据后利用u s b 总线上传到p c 机的可能性。在此基础上，确定了u s b - c a n 转 换模块的设计目标，并对于转换模块的芯片与电路、硬件程序和驱动程序进行了 设计，为下文对于液压提升的控制系统的稳定性进一步分析打下了基础。 最后，讨论了u s b - c a n 转换模块与p c 机代替实时控制器对于系统延时因素 的改变，并对改变后的系统进行了建模和仿真，分析了p c 机和u s b - c a n 转换模 块可能带来的延时对于系统稳定性的影响，得到替换后的控制系统处于稳定的收 敛状态的结果。 关键词：液压提升技术分布式控制系统u s b 总线c a n 总线网络延时t r u e t i m e a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p a r et ot r a d i t i o n a li n s t a l lw a yo fs t r u c t u r e sa n de q u i p m e n t s ，t h eh y d r a u l i c l i f t i n gs y s t e mh a sm a n ya d v a n t a g e s i tc a l ll i f th e a v i e ra n db i g g e rs t r u c t u r e st oh i g h e r p l a c e t h es y s t e mi s c o n s t i t u t e do fl i f t c y l i n d e r s ，h y d r a u l i cp u m ps t a t i o n sa n d c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 1 1 1 ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi st h ek e yp a r to ft h ew h o l e h y d r a u l i cl i f t i n gs y s t e m 1 1 1 ec o m p u t e rc o n t r o lc a b i n e tw o r k sa sar e a l - t i m ec o n t r o l l e r i nt h es y s t e ma n di tc a nc o m m a n dt h el i f tc y l i n d e r st ol i f tt h es t r u c t u r e s f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eh y d r a u l i cl i f t i n gs y s t e ma n dt h er e a l - t i m e c o n t r o l l e ri ni t , a n dd i s c u s s e s t h ed a t a - f l o w sa n dt h et i m e - d e l a y sw h i c ha r ei nt h e c o n t r o ls y s t e m a f t e rt h a t , t h r o u g ham a t hm o d e l 丽t ht m e t i m ei nm a t l a b ，t h e p a p e ra n a l y z e s t h et i m e d e l a y sw h i c hi s p r o d u c e db yd e a l i n g 、撕t l ld a t a so ft h e c o n t r o l l e r t h e n 诚t l lt h ep r e s e n t a t i o no fc a n - b u sp r o t o c o la n du s b - b u s p r o t o c o l ，t h ep a p e r d e s i g n st h ec i r c u i t ，s o f t w a r ei nc h i pa n dd r i v e rw h i c hb e l o n gt ot h eu s b - c a n a d a p t e r a tl a s tt h r o u g ham a t hm o d e la n da n a l y s e so fn e ws y s t e mw h i c hi n c l u d e sp ca n d u s b - c a na d a p t e r , i td i s c u s s e st h ei n f l u e n c e so ft h et i m e d e l a y sw h i c ha r ep r o d u c e d b yp ca n du s b - c a na d a p t e ri nt h ec o m p m e rc o n t r o ls y s t e m a n dt h ep a p e ro b t a i n s t h ec o n c l u s i o nt h a tt h eh y d r a u l i cl i f t i n gs y s t e m 、析t l lp ca n du s b - c a na d a p t e ri s s t a b l e k 呵w o r d s ：h y d r a u l i cl i f t i n gs y s t e m ，f i e l dc o n t r o ls y s t e m ，u s b b u s ，c a n - b u s ， t i m e - d e l a y , t m e t m m 目录 目录 第1 章引言1 1 1 工程背景1 1 2 计算机控制液压提升技术的控制系统与实时控制器1 1 3u s b - c a n 转换模块与p c 机替换实时控制器2 1 4 本文主要工作3 第2 章计算机控制液压提升技术的控制系统建模与仿真4 2 1 控制系统模型分析4 2 1 1 计算机控制液压提升技术的控制系统与网络化控制系统，；4 2 1 2 网络控制的数据流与延时因素、6 2 1 3 延时因素分析7 2 1 4 执行机构模型分析8 2 1 5 控制系统的算法分析1 0 2 2 系统仿真与t r u e t i m e 1 l 2 2 1 系统总体模型1 1 2 2 2 执行机构模型1 3 2 2 3 实时控制器和分控制器模型1 3 2 3 仿真结果分析1 4 2 3 1 系统仿真结果1 4 2 3 2 系统稳定性对于u s b - c a n 转换模块性能要求1 6 第3 章c a n 现场总线与u s b 总线互连的协议分析1 8 3 1 现场总线与c a n 总线1 8 3 1 1 现场总线简介与分类1 8 3 1 2c a n 总线技术特点2 1 3 1 3c a n 总线的层次模型与报文传输2 2 3 2u s b 总线概述2 4 3 2 1u s b 总线技术特点2 4 3 2 2u s b 总线的数据流模型2 7 3 3 两种总线互连的可行性分析2 9 第4 章u s b - c a n 转换模块的设计3 1 4 1 总体方案设计3 1 i i i 目录 4 1 1 设计目标3 1 4 1 2 方案总体设计3 l 4 2 控制及接口芯片的选择3 2 4 2 1 单片机芯片的选择3 2 4 2 2u s b 总线控制芯片的选择3 3 4 2 3u s b _ c a n 转换模块设计细节3 4 4 3 模块硬件程序设计3 5 4 3 1 模块硬件程序设计说明3 6 4 3 2 单片机模块硬件程序结构与流程图3 6 4 3 3c a n 总线和u s b 总线中断处理3 8 4 4 驱动程序的设计3 9 4 4 1w d m 驱动程序简介及其分层结构3 9 4 4 2 驱动程序层间i r p 的处理4 1 4 4 3u s b - c a n 转换模块驱动程序说明4 2 4 4 4 动态链接库程序的编制4 5 第5 章u s b - c a n 转换模块与p c 机替换实时控制器的建模与仿真5 0 5 1 替换后的控制系统模型分析5 0 5 1 1 替换后网络控制的数据流与延时因素5 0 5 1 2u s b _ c a n 转换模块与p c 机产生的延时因素5 1 5 1 3 延时因素分析5 2 5 2 系统建模5 3 5 2 1 系统整体模型5 3 5 2 2p c 机和u s b - c a n 转换模块模型5 4 5 3 仿真结果与结论5 5 5 3 1 系统仿真结果5 5 5 3 2u s b - c a n 转换模块与p c 机对系统稳定性的影响5 7 第6 章结论与展望5 9 6 1 结论5 9 6 2 展望6 0 致谢6 0 参考文献j 6 2 个人简历6 3 i v jf 第l 章引言 1 1 工程背景 第1 章引言 在计算机控制液压提升技术中，作为实时控制器的计算机控制柜起着非常重 要的作用。它的优点是实时性好，能够适应工程应用现场恶劣的环境，不过也存 在使用和携带不方便和价格较贵的缺点。而得到广泛使用的p c 机价格便宜，且 能够通过u s b c a n 模块方便地接入控制网络，具有使用方便、易于携带和价格便 宜的优点。但是使用p c 机代替液压提升技术中的计算机控制柜，将会给其中的 控制系统带来一定的延时因素，可能会导致系统的不稳定。因此，需要对u s b c a n 转换模块进行设计并评估控制系统的性能。 1 2 计算机控制液压提升技术的控制系统与实时控制器 计算机控制液压提升技术是通过电液控制的方式实现的，整个系统是由提升 油缸、液压泵站和计算机控制系统三部分组成，如下图1 1 所表示。 图1 1 使用计算机控制的液压提升技术 相比传统的结构与设备安装技术，计算机控制液压提升技术具有以下优点： 提升的结构重量重，可达数万吨： 提升高度高，可达数百米； 提升结构的尺寸、面积和体积大； 计算机控制，自动化程度高； 安全、可靠、降低施工风险； 缩短施工周期、降低施工费用； 第l 章引言 应用领域广，主要有：建筑钢结构工程、桥梁工程、电力工程、石油化 工、港口与造船、海洋工程等。 整个提升系统中最关键的就是所采用的计算机控制系统，它是使用c a n 总线 开发的现场实时网络控制系统。相比传统的集中控制系统，这种分散式的实时网 络控制系统具有系统简化、控制点多、实时性好、控制精度高和可靠性强等特点。 通过控制系统，作为实时控制器的计算机控制柜控制油缸提升。 计算机控制柜的主要功能是：接收位置传感器传送来被提升构建的位置信 息，并根据这些信息通过手动自动方式传送控制信号给液压泵站，通过液压泵 站中的比例电磁阀控制油缸动作。它是采用p c i 0 4 规范开发的控制柜，可以通过 c a n 总线收发数据和指令，具有较好的实时性和抗干扰性，能够适应工程现场恶 劣的环境。 1 3u s b - c a n 转换模块与p c 机替换实时控制器 如上文所描述，控制器的一种选择是采用p c i 0 4 规范等平台的专业计算机控 制柜，这类控制器的优点是实时性好，能够适应工程应用现场恶劣的环境，不过 也存在使用不方便以及价格较贵的特点。另一种选择就是使用p c 机作为控制器， 通过转换模块采集c a n 总线上的数据。但是，作为下层网络的c a n 总线与p c 机 之间的通信以往是通过基于r s 2 3 2 协议、i s a 总线和p c i 总线的转换模块来完成 的。这些种类的转换模块有传输速率较慢、设计复杂和不便于扩展等缺点。 这时候，自然而然就可以考虑使用采用u s b c a n 转换模块和p c 机作为计算 机控制液压提升技术中的控制器。p c 机相比专业计算机控制柜，价格便宜，使 用方便也易于携带；p c 机能通过u s b - c a n 转换模块采集控制系统中传感器的数 据，并通过模块向控制系统中的设备发送指令。u s b c a n 转换模块采用u s b 总线 与p c 机相连，即插即用，便于使用。 但是值得注意的是，与使用专业计算机控制柜作为系统中的控制器相比，使 用u s b c a n 转换模块的p c 机会给控制系统带来延时问题，而延时问题会降低控 制系统的性能，并会导致数据包丢包等后果，给控制系统带来不稳定。 p c 机硬件体系和w i n d o w s 操作系统并不是针对工业设计的，整体稳定性也不 如实时控制器。w i n d o w s 系统并不是一个实时的操作系统，控制系统中信息的处 理需要需要通过复杂的p c 机硬件中断系统和在w i n d o w s 系统中消息队列中等待 排队处理。然后，u s b - c a n 转换模块本身要对数据进行转换处理，以及数据在u s b 总线的传输，也会给控制系统带来的数据传输延迟问题。使用u s b - c a n 转换模块 和p c 机，在液压提升的控制系统中存在更多延时性问题。 所以，首先需要对计算机控制液压提升技术的控制系统的延时进行分析，建 2 第1 章引言 模和仿真。在设计出u s b - c a n 转换模块之后，再对u s b c a n 转换模块的p c 机在 原系统中代替实时控制器，继续进行分析和仿真，来判断系统的稳定性问题。 1 4 本文主要工作 本文首先介绍了计算机控制液压提升技术中的的控制系统和其中的实时控 制器，并对控制系统进行了分析和建模。随后阐述了u s b - c a n 转换模块的设计， 并通过建模研究了使用u s b c a n 转换模块与p c 机替换作为实时控制器的计算机 控制柜后系统中所存在的延时因素，最后得到替换后的控制系统处于稳定的收敛 状态的结果。 第一章首先对于工程背景：计算机控制液压提升技术进行了介绍，讨论了使 用u s b c a n 模块与p c 机代替控制系统中实时控制器的可能性。 第二章对控制系统中网络控制所带来的数据流和延时因素进行分析和建模， 并利用m a t l a b 中t r u e t i m e 软件包对控制系统进行了建模和仿真，得到了实时控 制器对数据和指令处理所带来的延时对于系统稳定性的影响。厶 第三章介绍了c a n 总线协议和u s b 总线协议，并讨论了使用设备采集c a n 总 线上的数据后利用u s b 总线上传到p c 机的可能性。 第四章讨论了u s b - c a n 转换模块的设计目标，并在此结果上对于转换模块的 芯片与电路、硬件程序和驱动程序进行了设计，为下文对于计算机控制液压提升 的控制系统的稳定性进一步分析打下了基础。 第五章分析了使用u s b c a n 转换模块与p c 机替换实时控制器对于系统延时 因素的变化，并在这个基础上对改变后的系统进行了建模和仿真，分析了p c 机 可能带来的延时对于控制系统稳定性的影响。 第六章对全文的工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 第2 章计算机控制液压提升技术的控制系统建模与仿真 2 1 控制系统模型分析 如前一章所述，首先要对计算机控制液压提升的控制系统进行建模和仿真， 以便于分析网络控制所带来的延时因素，接下来用仿真的结果来判断使用 u s b - c a n 转换模块和p c 机来代替控制系统中实时控制器的可能性。 控制系统中的所存在延时主要有两种情况。一种情况是由于系统众多控制器 和传感器共享c a n 总线通信网络，网络传输信息需要仲裁、等待所引起的时延； 另一种情况是系统中设备计算处理时延，如控制器、执行器和操作系统完成所设 定的功能所需要的时间。 本文中，第一种情况所引起的时延主要由t r u e t i m e 软件通过模拟c a n 总线 网络进行仿真。下文将对第二种情况所引起的延时进行分析和建模。 2 1 1 计算机控制液压提升技术的控制系统与网络化控制系统 计算机控制液压提升技术经过十多年的发展，在提升油缸、液压泵站和计算 机控制系统方面都有了长足的进步。 控制系统的整个控制过程始于实时控制器接受外界的输入控制信号，然后实 时控制器对收到的控制信号与传感器信号进行处理，并将指令发送给分控制器。 分控制器再根据指令进行计算，输出电流值给液压泵站中的比例电磁阀。 比例电磁阀采用先进的电液比例控制技术，它的开度与电流的大小相关；分 控制器所输出的电流的越大，比例电磁阀开度越大，反之亦然。同时，比例电磁 阀的开度影响泵站供给给液压回路液压油量的高低：比例电池阀的开度大，液压 系统液压油量就高。所以，分控制器通过改变输出电流的大小来改变液压系统中 流量的高低。 液压系统中液压油量的高低又决定着液压油缸的提升高度。在液压油缸内径 一定的情况下，进入液压油缸的流量与提升高度成正比。这样就实现了通过改变 实时控制器输入比例电磁阀电流大小，来改变油缸的提升高度。最后，被提升构 件的位置由传感器检测到，由传感器通过c a n 总线传回实时控制器。 控制系统主要由一条闭环回路组成。当在使用实时控制器对执行机构进行操 作时，实时控制器、分控制器、液压泵站、液压油缸、传感器共同组成一个控制 回路。这个控制回路从实时控制器向c a n 总线发出数据开始，然后分控制器从 4 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 c a n 总线上接受数据，进行处理后对执行机构进行操作；接着传感器采集执行机 构的数据并通过c a n 总线返回给实时控制器。实时控制器通过比较输入的控制信 号与传感器采集的信号，采用p i d 等控制策略对信号进行处理后，继续发出信号 给分控制器。 图2 1 液压提升技术 控制系统中的实时控制器是整个提升系统的核心，是基于c a n 总线技术开发 的专业计算机控制柜，相当于整个系统的大脑所在。它具有控制能力强、控制精 度高、控制模式多，运算能力强和能够适应恶劣的环境等特点，还具有良好的报 警保护和显示等功能。本提升系统中使用的实时控制器是基于p c i 0 4 规范的平台 开发的。p c i 0 4 规范是嵌入式p c 机所用的总线标准，基于此规范的系统作为一 种工业计算机系统目前在工业控制、铁路运输等领域的应用十分广泛。，由于 p c i 0 4 规范采用i s a 总线插接等结构，使得p c i 0 4 系统具有结构紧凑，应用灵活 和整机功耗较低等特点。 控制系统中的分控制器是基于单片机开发的，具有i 0 输入输出、运算以及 信号放大等功能。分控制器位于各个液压泵站上，能够从c a n 总线接受实时控制 器发出的指令，并将指令转化为p 删电信号传递给液压泵站上的比例电磁阀。 位置传感器选用的是倍加福的编码器，其单圈精度为4 0 9 6 格，能够将所检 测到的位置信号通过c a n 总线传回实时控制器。 比例电磁阀位于液压泵站。它采用先进的电液比例控制技术，实现液压提升 中的同步控制，控制精度高，在多点提升中各点之间的同步控制精度在4 - i m m 内， 并采用有专门对每台油缸的载荷保护设计，使整体提升更加可靠安全。液压泵站 还采用清晰的模块化设计，针对不同工程的使用要求，综合考虑液压系统的通用 性、可靠性和自动化程度，并使用双泵、双主回路和双比例阀系统，实现连续提 升、连续下降和大流量驱动等功能。 因为计算机控制液压提升技术使用c a n 总线对系统中的设备进行控制，所以 它属于网络化控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s n c s ) 。 网络化控制系统理论是上个世纪九十年代中后期发展起来的新兴控制理论 研究领域，已经成为自动化领域技术发展的热点之一。它是指用数字通讯网络代 替传统的点对点的连接控制方式构成的闭环控制系统，网络中的各种信息，包括 控制指令的输出、数据信号的输入等等，都是通过网络在控制系统的各个组成部 5 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 分( 如传感器、控制器和执行器) 之间交换和传输。 网络化控制系统使得对于控制系统的分析更加复杂。由于信息是通过网络传 播，所导致对于网络的分时复用等原因，控制系统的信息只有在网络空闲的时候 才能被发送。这使得网络中信息的传输不可避免的存在时延、丢包等现象，并且 这些现象是随着网络的负载而变化的，是不确定的。这些现象导致了控制系统的 性能下降，甚至失稳。 所以，网络控制系统的性能不仅取决于通常的控制算法的设计，而且取决于 网络资源的调度。因此必须从系统的实时性出发，对网络控制系统调度和延时进 行分析。而网络控制系统是涉及控制、计算机、网络通信等多领域内容的复杂系 统，需要对各部分进行综合研究。 2 1 2 网络控制的数据流与延时因素 当在使用专业计算机控制柜作为液压提升技术中的实时控制器进行操作时， 实时控制器、分控制器、液压泵站和比例电磁阀、液压油缸、传感器共同组成一 个控制回路。为了便于分析和建模，将液压泵站和比例电磁阀以及油缸看作执行 机构，用位置传感器采集被提升构件的位置。 在这个控制回路中，传感器为时间驱动，以某个固定的周期t ( t 0 ) 对执行 机构的信号进行采集；实时控制器、分控制器和执行机构为事件驱动，当数据( 指 令) 到达的时候，执行相应的动作。 液压提升的控制系统的示意图如下图2 2 所表示： 图2 2 液压提升的控制系统示意图 首先实时控制器会对输入的控制信号以及从c a n 总线上得到的传感器信号进 行处理，以得到对执行机构进行控制的数据；接着，实时控制器将数据进行编码 准备发送。整个过程需要花费一定时间靠。 接下来在控制数据从实时控制器传送到分控制器。首先，实时控制器需要等 待网络空闲以发出信息，这部分所消耗的等待延时为勺；然后，发送出去的消 6 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 息在c a n 总线网络线路上需要花费传输延时t 。t l o 当分控制器收到控制数据后，也需要时间处理数据，并对比例电磁阀发出控 制指令，这部分需要的时间为o 。比例电磁阀收到控制信号后，将电信号转变 为液压信号传递给油缸，油缸动作，这部分所需要的时间为。因为本章主要 是讨论控制系统中所存在的网络延时，f 。这部分延时属于执行机构的延时，故 不予考虑。 位置传感器检测到被提升构建的位置变化后，每隔一定的时间靠通过c a n 总 线向实时控制器发回数据，同样也需要等待网络空闲所消耗的等待延时知：。接 下来，是反馈回来的消息在网络线路上所花费的传输延时。：。当实时控制器 收到消息的时，可能正在处理其他任务，所以从收到信息到开始处理消息的时间 l ，也需考虑。 整个控制系统的延时如下图2 3 所表示： _ if c r i 爿数据接收l n 祭垴捌墨l 纠比例电磁晴y 万拄祸丽r 实时控 f | 制器 弋， 1 l 数据发送k白2 感器、 一油缸 ， r 2毛 c a n 总线执行机构 图2 3 网络控制的延时分析 所以，系统的整个控制回路的延时为： f = 靠+ 知l + l + + b + 研2 + 2 + l ( 2 1 ) 2 1 3 延时因素分析 理论上来说，最好能将控制系统各个部分的延时因素都用数学公式或者模型 来表示。但是，实际情况相对于理论分析复杂的多，控制系统中网络控制所带来 的延时因素难以定量分析的。有些延时例如分控制器的处理时间印和传感器的 对于被提升构建位置的采集间隔时间靠是基本不变的，但是有些延时如c a n 总线 的发送等待时间和，却是随着c a n 总线网络的情况而变化的。 由于实时控制器采用p c i 0 4 规范等平台和实时控制系统来开发，它所引起的 延时f 。和l 基本不变而且很小。并且在实际情况中，实时控制器也是使用定时 器触发的中断，每秒向执行机构发出若干次数据，所以f 舟和经过分析可视为： 靠+ = o 0 2 s ( 2 2 ) 7 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 分控制器采用单片机进行数据处理和控制指令的收发，在实际情况中是由实 时控制器传递的指令事件驱动。它对指令进行处理后，输出p w m 信号到液压泵站 中的控制比例电磁阀。引起的延时。经过分析可视为： 七= o o l s ( 2 3 ) 比例电磁阀收到p m w 信号后改变开度，以便得到泵站输出不同的流量来控制 下一个环节液压油缸。这部分存在的延时，特别是液压设备的响应较慢，但 是本文主要是对计算机控制液压提升的控制系统中的延时进行分析，所以对于这 部分延时不予以关注。 位置传感器在实际情况中，在一秒钟内，间隔一定的时间对油缸的位置进行 若干次采集，并通过c a n 总线向实时控制器发回数据，所以位置传感器数据采集 间隔时间经过分析可得： t s = o 2 s ( 2 4 ) 在c a n 总线上发送消息的两次等待时间哳。和2 ，以及两次发送出去的消息 在c a n 总线网络线路上所花费的传输延时。l 和2 ，均由t r u e t i m e 中的网络 模块来模拟真实的网络传输状况，所以在这里不予讨论。 2 1 4 执行机构模型分析 为了方便在下文中使用t r u e t i m e 对控制系统建模和分析，首先得对上文中 提到的执行机构环节，既：泵站中的比例电磁阀和液压油缸，建立传递函数。信 号的传递流程如下图2 4 所表示： 图2 4 信号传递流程 首先，分控制器对于比例电磁阀的电流输出是采用常用的p 删( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，脉宽调制) 信号输出。p 删信号输出相当于一个模拟控制，代替了 传统的d a 输出，具有驱动单元形式简单、便于连接和兼有颤振信号等优点。 接下来，分控制器通过p 删信号控制比例电磁阀的阀芯移动的距离，进而控 制泵站的输出流量。p w m 信号可提供不同的电压( 电流) 大小，进而可以控制的 8 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 到不同的流量大小，两者之间可以近似成比例关系。 可选用h a w e 的多路换向比例电磁阀，以改变进入油缸的流量，其型号为 p s v 6 1 3 2 0 5 。比例电磁阀的电气特性如下图所表示： 棚嘴 m i1 1 3 ， 彩 ，么圹 纩 ， 缴 形 r 彩 杉7 硼臀犁盯矿一面飞 图2 5 比例电磁阀电器特性图 根据比例电磁阀的电气特性图，当电流为i = 0 2 6 a 时，流量q 为0 ；当电流 为i = o 5 3 3 a 时，流量q 为1 5 0l m i n ，建立线性方程为： q = 5 6 2 5 1 - 1 5 0 ( 2 5 ) 其中，电流i 的单位符号为a ，流量q 的单位符号为l m i n 。 比例电磁阀可视为一阶惯性环节来讨论，其传递函数可近似写作： 二 g i = 器= 击 ( 2 6 ) 式中：丁比例电磁阀的时间常数，当比例电磁阀的频率特性为1 h z 的时 候，其时间常数为： 卜嘉2 焘朝j 5 9 “2 7 y 2 万厂2 万1 k 比例电磁阀的增益，当流量为1 5 0 l m i n ，电流为i = 0 5 3 3 a 的 时候，其增益为： k = 压孚= 压畿嚣而6 3 川4 ( 2 8 ) 常用油缸的内径为0 2 m 。因为上文分析中没有对执行机构的所带来的延时因 素进行分析和建模。所以，可以将其视为常数，既一个比例环节，其传递函数为： 6 5 ( 加而纛q l 8 ( 2 9 ) 对于位置传感器，选用倍加福的编码器，其单圈精度为4 0 9 6 格，将信号通 过c a n 总线传回实时控制器。所选用的产品的响应时间参数非常小，远小于所设 定的液压提升技术中的控制系统的采样频率，所以可以将其视为一个比例环节， 近似为单位负反馈，既其传递函数为： g ( j ) = 二 ( 2 1 0 ) 9 吾黔蠢；| ， 鲫 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 所以执行机构的总体传递函数为： g ( 沪g l ( 小g 2 ( 小g 3 ( 垆丽0 2 1 1 吾 ( 2 1 1 ) 2 i 5 控制系统的算法分析 在过程控制中，按误差信号的比例、积分、微分进行控制的算法，简称p i d 算法，是技术成熟、应用晟为广泛的一种调节器。所以，本文对控制系统的仿真 采用p i d 算法。 连续系统中p i d 算法的公式如下所表示： g 舻k p 删+ k 疵+ 髟警魂m 蝴 ( 2 1 2 ) 式中：p ( ，) _ p i d 控制器输入。 k 。比例增益； k 积分系数； 髟微分时间参数； g ( ，) p i d 控制器输出。 p i d 算法的控制效果主要取决于k k 和髟的选择是否合理。三个参数的 对系统的影响如下： 1 当比例增益k 。加大时，系统的动作灵敏，动态特性变好；在系统稳定的 情况下，可以减少稳态误差，提高控制精度，但不能消除系统的稳态误差。当比 例增益k 。减小时，会使系统动作缓慢； 2 当积分系数k 合适时，过度特性比较理想；k 太大系统会使系统稳定性 下降，k 太小，对系统性能影响减小；积分系数k 还能消除系统的稳态误差， 提高系统的控制精度： 3 微分时间参数局可以改善系统动特性，减少超调量，缩短超调时间。 因为要模拟的控制系统属于离散系统，所以对上式中的积分项和微分项做离 散化处理，得到离散的p i d 表达式为： 式中：气第k 次输入的偏差值： 气第k 一1 次输入的偏差值； 心第k 次p i d 输出的偏差值。 1 0 ( 2 1 3 ) 、 d气 一 气 ，lk + 巳 。声 墨 + 气 p k = 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 p i d 控制器的参数确定通常有两种方法，既：理论设计法和实验确定法。本 文采用实验确定法来确定p i d 参数，既通过计算机仿真，观察系统对恒定的阶跃 信号的响应曲线，根据各个调节参数( k p 、k 和杨) 对系统的相应的影响，反 复调节，从而确定p i d 参数。 2 2 系统仿真与t r u e t i m e t r u e t i m e 是以v i s u a lc + + 6 0 和凇t l a b s i m u l i n k 为平台的仿真工具包， 主要用来模拟和仿真分布式的实时控制和网络控制系统。这个工具包的优点在于 它能和m a t l a b 软件包中的其他控制模块相结合，方便而又快速的搭建实时控制 系统或实时网络控制系统，并在所模拟的模型中模拟丢包、数据传输率等网络参 数，而这类参数对于分析n c s 的性能非常重要。 t r u e t i m e 工具箱可以用于研究网络控制系统时间不确定性( 如任务中处理计 算延时、网络传输延时) 对控制性能的影响；能对具有时变系统的控制器进行设 计，对系统进行补偿；也能对控制网络进行灵活的动态调度方法仿真实验，如对 c p u 占用时间与通信带宽的调度等进行分析与研究。所以，t r u e t i m e 工具箱能够 用来构建分布式实时控制系统的动态过程、控制任务的执行和网络交换的联合仿 真环境，是对于网络控制系统延时理想的研究和仿真平台。 t r u e t i m e 工具箱包括t r u e t i m ek e r n e l 和t r u e t i m en e t w o r k 等接口模块。 k e r n e l 模块包含有灵活的实时内核，具有a d 和d a 转换器、网络接口和外部 通道。用户可以使用m a t l a b 语言或c + + 语言在k e r n e l 模块中编写自定义的任务。 这些任务的执行取决于k e r n e l 模块内部事件( 如定时器中断、任务完成等) 或 外部事件( 外部中断和信息从网络到达等) 。n e t w o r k 模块可以按照选定的方式 进行工作，拥有媒体访问控制协议( 包括c s m a a m p ：c a n ) 、网络节点数、网络 传输速率、最小帧长度和丢包率等参数，接受和发送k e r n e l 模块传过来的信息。 n e t w o r k 模块采用事件驱动，当对进出模块的信息收发的时候，模块执行用户自 定的任务。t r u e t i m e 工具箱还觉有无线网络模块和电池模块，能够对于无线网 络模块进行仿真。 2 2 1 系统总体模型 在t r u e t i m e 中对于计算机控制液压提升的控制系统进行建模，模型的分析 如2 1 2 节所讨论，如下图2 6 所表示。 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 i 卅 _ 棚 _ 图2 6 控制系统在t r u e t i m e 中的模型 在图2 6 中，所建模型中包括4 个网络节点( 从n o d e l 至n o d e 4 ) 和一个网 络模块，分别代表虚拟节点、分控制器、传感器、实时控制器和c a n 网络。 网络节点l ( n o d e l ：i n t e r f e r e n c e ) 是用来模拟真实c a n 总线上的情况的虚 拟节点。因为实际情况中，可能有很多节点挂接在c a n 总线上，网络消息的收发 需要仲裁；并且因为网络中可能存在一些数据包丢失或者重新发送的现象，这些 数据包也会占用网络的带宽，属于无效的信息。所以专门增加一个节点作为干扰 节点，用它在网络上发送数据来模拟干扰信号占用带宽的大小。 网络节点4 ( n o d e 2 ：r e a lt i m ec o n t r o l l e r ) 是用来模拟实时控制器，是整 个系统的控制器，它的主要功能就是接受来自网络的传感器信号和输入的控制信 号，经过处理后发送给网络模块。p i d 算法等控制策略就在这个节点中实现。它 有一个a d 输入，来模拟参考信号的输入；它还使用一个网络通道从c a n 总线上接 受传感器发来的信号。对于这两个信号，网络节点4 不断的比较传感器传来的数 据与输入的控制信号的差值，采用p i d 算法进行处理，并将指令从网络通道发送 给网络节点2 。在节点内部通过改变执行时间参数e x e c t i m e 为0 0 2 s ，来模拟实 时控制器所引起的延时和。 网络节点2 ( n o d e 2 ：a c t u a t o r ) 用来模拟分控制器，它的内部没有控制策略， 只有一个延时印来模拟当分控制器收到控制数据后处理数据并对比例电磁阀发 出控制指令所需要的时间。它从网络接受来自控制器的信号，经过处理后将模拟 信号发给控制对象( 比例电磁阀和油缸) 。同样，在节点内部通过改变执行时间 参数e x e c t i m e 为0 o l s ，来模拟当分控制器收到控制数据后处理数据并对比例 电磁阀发出控制指令所需要的时间为矗。 网络节点3 ( n o d e 4 ：s e n s o r ) 用来模拟位置传感器。它的功能是：每隔0 2 s 便采集控制对象的输出量，并把a d 信号转换成数字信号，通过网络模块发送给 网络节点4 。 c y l i n d e r 模块用来表示执行机构，在这里用比例电磁阀和油缸作为具体的执 第2 章计算机控制液压提升的控制系统的建模与仿真 行机构。它是由对比例电磁阀和油缸进行建模后得到的传递函数再加上一个积分 环节来表示，具体建模分析参见2 1 4 节。模块的输入量是分控制器输出的电压 信号：输出量是位置信号，用来模拟油缸动作得到的位移，由网络节点3 进行采 集。 网络模块( c a nn e t w o r k ) ，连接了c a n 总线上的四个模块。它还提供其它参 数( 如波特率、丢包率等) 的设定来模拟真实的网络：网络模型选择c s m a a m p ( c a n ) 网络，波特率设置为2 5 0 k ，最小帧大小设为6 b y t e s ( 远程帧) ，丢失率为0 ( 因 为已经增加了一个干扰节点来模仿网络的实时情况) 。 2 2 2 执行机构模型 执行机构在图中表示为：c y l i n d e r 模块，结合上文2 1 4 节中对于执行机构 所建立的数学模型，模块内部的模型为： 酬盏卜鼬 c ，“d 。 ”。口“。 图2 7 执行机构模型 这个模型是以电流为输入，被提升构件的位置为输出。输入节点i n 是由分 控制器输入的电流；c y l i n d e r 方框中的传递函数是由2 1 4 节得出的比例电磁 阀和油缸的传递函数，得到的是油缸的速度；经过积分环节积分后，由o u t 输出 提升距离。 2 2 3 实时控制器和分控制器模型 实时控制器内部具体建模如下图所表示： 图2 8 实时控制