（材料学专业论文）基于can总线的热处理车间温控系统研究.pdf

摘要 在热处理过程中，加热炉控制效果的好坏直接影响着材料的性能。 但在工厂的实际环境中，由于加热炉自身的参数以及供电系统的参数等 经常发生变化，而传统的控制方案又对系统模型的依赖性非常大，因此 加热炉的温度控制效果往往不能得到保证，基于此，本课题提出了基于 l m i ( 线性矩证不等式) 的鲁棒控制方案，它有效地解决了此类由于系统参 数摄动及外界扰动而导致控制效果变坏的问题。 现场总线是连接现场设备和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支 结构的通信网络，将现场总线技术用于热处理车间的温度控制系统有助 于实现热处理车间生产管理和控制的一体化，并能提高热处理温控系统 的可扩展性、可维护性和抗故障能力。 f p c i 总线是微型计算机中处理器存储器与外围控制部件、扩展卡之 间自牺连接口。它独立于处理器，适用于各种不同的高速c p u 及软件平 台，当前流行的处理器如i n t e l 、a l p h a 、p o w p c 、s p a r c 以及操作系统 w i n d o w s 、l i n u x 都支持p c 局部总线，p c i 总线已成为微型计算机事实 上的总线标准。通过使用高速的总线时钟( 3 3 h z 或6 6 h z ) 和其他一些技 术，p c i 系统中持续的3 2 位传输可达13 2 m b s ，对于6 4 位总线，其传输 速率将再提高一倍。因此在本系统中中我们设计了基于p c i 总线的c a n 总线适配卡。、j “ 在p c 技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且 重要的地位。组态软件是一种能快速建立自己的人机界面( h m i ) 工具或 开发环境。在本课题中我们开发了相应的组态软件，它具有良好的人机 界面和系统组态功能。 另外，由于现行的主流系统为w i n d o w s 2 0 0 0 n t ，而w i n d o w s 2 0 0 0 n t 不支持直接的硬件操作，因此，在本文中我们还介绍了基于w d m ( w in d o w s d r i v e rm o d e l ) 的驱动程序设计。 关键词：现场总线c a n b u sw d mp c i ，组态软鲁棒控制l m i v v v a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fh e a tt r e a t m e n t ，t h a tt h ec a l e f a c t i o nf u r n a c ei sc o n t r o l l e dw e l lo r b a d l yw i l l a f f e c tt h em a t e r i a l sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y b u ti np r a c t i c ep r o d u c t i o n t h e p a r a m e t e r so fh e a tt r e a t m e n tf u r n a c e ，t h ep a r a m e t e r so fe l e c t r i c i t yp r o v i d i n gs y s t e m a n ds oo no f t e nc h a n g e w h e r e a st h ec o n v e n t i o n a lc o n t r o lp r o j e c td e p e n d so ns y s t e m m o l dg r e a t l y , s ot h et e m p e r a t u r ec o n t r o le f f e c tc a n n o tb eg u a r a n t e e d t h ep a p e rp u t s f o r w a r dt h er o b u s tc o n t r o lp r o j e c tb a s e do nl m ir l i n e a lm a t r i xi n e q u a l i t y lw h i c h c a n s o l v et h i sp r o b l e me f f e c t i v e l y l o c a l eg e n e r a lb u si so n ek i n do fs e r i a ld a t ac o m m u n i c a t i o nr o u t i n e sw h i c h c o m m u n i c a t e sb a s i cc o n t r o le q u i p m e n t sa n dm o r ea d v a n c e dc o n t r o la d m i n i s t r a t i v e l e v e l sw i t ht h el o c a l e g e n e r a l b u st e c h n o l o g ya p p l i c a t i o ni n t ot h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e mo ft h eh e a tt r e a t m e n tw o r k s h o p i 1c a nc o n n e c tt h o s ee q u i p m e n t se a c h o t h e rw h i c hc o m ef r o md i f i e r e n tm a n u f a c t u r e sb u ta c c o r dw i t hu n i f o r m c o m m u n i c a t i o nc r i t e r i as ow i t ht h ei n t r o d u c eo fng e n e r a lb u sc o n f i g u r a t i o n n o t o n l y c a l l s y s t e ms e c u r i t y b e d e v e l o p e d b u ta l s o s y s t e mi n t e g r a t i o n c o s tc a nb e r e d u c e d p c ig e n e r a lb u si st h ei n t e r l i n k a g ei n t e r f a c eb e t w e e np r o c e s s o r m e m o r i z e ra n d p e r i p h e r yc o n t r o lc o m p o n e n t s ，e x p a n d i n gc a r d si nm i c r o c o m p u t e r i ti si n d e p e n d e n t o np r o c e s s o ra n di s a p p l i c a b l ed i f i e r e n th i g hs p e e dc p ua n ds o f t w a r e f l a tr o o f c u r r e n tp r o c e s s o r ss u c ha s i n t e l ，a l p h a ，p o w p c ，s p a r c a n do p e r a t i n g s y s t e m s w i n d o w s l i n u xc a ns u p p o r tp c ip a r tg e n e r a lb u sw h i c hh a v eb e c o m ea c t u a lg e n e r a l b u sc r i t e r i ao fm i c r o c o m p u t e r s t h r o u g hu s i n gh i g h s p e e dg e n e r a l b u sc l o c k ( 3 3 m h zo r6 6 m h z ) a n d o t h e r t e c h n o l o g y , t h ed u r a t i v et r a n s m i s s i o n3 2 - b i tv e l o c i t y c a r lr e a c h 】3 2 m b sa n df o r6 4 _ b j ig e n e r a l 】i n e sj tc a r lr e a c h2 6 4 m b s s ow e d e s i g n c a n g e n e r a la d a p t o rb a s e d o np c i g e n e r a lb u s i nt h e p r o c e s s o fp c t e c h n o l o g yi n f i l t r a t i n g i n t oi n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l d c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r e p l a y s a v e r ys p e c i a l a n d i m p o r t a n tr o l e c o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ei ss o f t w a r et o o lo re x p l o i t a t i o ne n v i r o n m e n tw i t hw h i c hu s e r sc a nb u i l dt h e i r o w nh m tq u i c k l y w i t ht h e a p p e a r a n c e o f c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，u s e r s c a d d i s e n g a g ef r o m t h eh o tw a t e ro f l o n ge x p l o i t a t i o nt i m e ，l o we f f i c i e n c y , b a ds e c u r i t yi n t h ep r o c e s so f c o m p i l i n g h m i a p p l i c a t i o ns o f t w a r e t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es o f t w a r e d e s i g no fs y s t e mc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e i na d d i t i o n b e c a u s et h ec u r r e n tw n q d o w 2 0 0 0 n ts y s t e mc a n n o t s u p p o r t h a r d w a r eo p e r a t i o n d i r e c t l y t h e p a p e r i n t r o d u c e sd r i v e r d e s i g n b a s e do nw d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，c a n b u s ，w d m ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，p c i 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。 本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容和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。 保密 本学位论文属于 不保密 学位论文作者繇亭。数 p 。l 年歹月7 日 在年解密后适用本授权书。 露弘阢 ， 指导教师签名： 年月目 口回 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 靴敝储戳岁噬 加。l 年f 月 日 江苏大学硕j 一论立： 第一章绪论 1 1 引言 在热处理过程中，加热炉控制效果的好坏直接影响着材料的性能，比如在 退火过程中，如果加热炉的实际温度低于设定温度过多，珠光体则不能向奥氏 体转变，从而不能达到消除内应力、细化组织、降低硬度和提高塑性的目的。 相反，如果加热炉的实际温度高于设定温度过多，则会出现过热、过烧的现象。 再如热处理过程中如果加热炉加热速度过快，会使材料组织转变的过热度过高， 转变丌始所需的温度升高，从而在设定温度得不到预期的组织结构及其性能， 另一方面，加热速度过快又会使炉子负载过大，甚至使之超过其额定功率，相 反，加热速度过慢，会使加热时间变氏，晶粒变大，不仅影响生产效率而且降 低材料的机械性能f “。但在工厂的实际环境中，工厂的电力负荷频繁变动，工 厂供电系统输出电压经常波动，加热过程中加热炉的热传导系数也随温度变化 不断变化，而常规的p i d 控制、最优控制对系统模型的依赖性非常大，因此常 规的p i d 控制、最优控制在热处理过程对温度波动不敏感时是有效的，而当热 处理过程对温度波动很敏感时( 例如g c ，1 5 淬火) ，常规的p 1 d 控制、最优控 制往往难以满足热处理工艺的要求【1 l 【4 i 。例如p i d 控制在加热炉的热传导系数、 电热炉电阻发生改变时其控制性能会变坏，使加热的实际曲线偏离设定曲线。加 热炉使用时间越长，电热炉电阻丝的电阻变化越大，p i d 控制的效果越羞。本 课题的目的之一便在于设计一种控制方案鲁棒控制，使加热炉在外界扰动 以及自身参数发生摄动时仍能保证加热炉的加热曲线符合要求。 鲁棒控制是- - f e e 新的控制方案，它在系统设计时便考虑到实际系统中的不 确定因素，如未建模动态、参数摄动、外界扰动等对系统的影响。因此，用鲁 棒控制方法建立起来的系统更符合实际，在实际的运行过程中亦能有较好的抗 干扰性能与现场适应性【7 l 。而且设备在使用过程中，会发生其自身参数的改 变。对于传统的控制方案，设备自身参数的改变意味着设备的失效，必须进行 设备的维修或更换【8 l 。因此鲁棒控制又有利于提高设备的可靠性。 由于加热炉是典型的时滞系统，而时滞系统在工业工程中广泛存在，因此， 研究加热炉的鲁棒控制对改善其他实际工业控制系统的性能亦有着重要意义， 目前，对时滞系统鲁棒性的研究方兴未艾1 11 】【”i ，据文献咐艮道，时滞系统的 鲁棒控制方法已经在国外钢铁工业中使用，它减少了设备的故障率，提高了设 江苏人学硕l 论文 备的使用率，降低了设备维护费用与时间，取得了较好的效益。但国内尚未见 相关报道。因此，加热炉的鲁棒控制设计具有一定的理论意义与实践意义。 另一方面，由于在现代化的热处理车间中同时有多台加热炉在工作，而且 往往各台加热炉的工作状态均不一样，控制要求亦不一样，因此，常规的直接 数字控制( d d c ，d i r e c t l yd i g i t a l c o n t r 0 1 ) 即一台计算机同时控制多台加热炉 的方案在实际的工作过程中不仅不利于技术部门对整个热处理车l 白j 加热炉的管 理，而且更不：宦作为终端与公司中心计算机联网而纳入整个企业的管理，另外 由于这类系统一机多任务的特点容易造成一旦一台计算机出现故障整个系统瘫 痪的现象”。以上海梅山钢铁公司冷轧厂热处理车间为例，此系统为一d d c 控制系统，它是两台微机同时控制十二台罩式退火炉，其功能仅限于由键盘输 入每台炉子的加热参数如加热时间，加热温度、保温时间，然后再由微机通过 伺服机构对加热炉的加热进行控制。由于这套系统缺乏相应的热处理过程的数 据存储与处理功能，因此必须每天有专人来建立每卷钢卷的整个加工过程( 包 括热处理过程) 的数据库。由于这套系统一机多任务的特点，经常造成某台微 机出现故障，整个系统瘫痪的现象。由于这套系统缺乏相应的通信功能，使热 处理车间与技术部门、管理部门、销售部门难以进行及时、高效地沟通。由于 这套系统采用d o s 界面，使参数的输入不直观且容易出错。另外由于它采用的 是p 1 d 算法，因此经常需要对系统的参数进行重新整定，p i d 参数整定需花大 量时f 自j 而且过程非常繁琐。而在工厂现场往往没有时间与能力进行参数的整定 工作，因此在热处理车问还需要大量熟练工人束监视系统的工作，使系统在控 制性能变坏时，能及时进行人工处理。因此，此车阳j 还经常由于工人大意而发 生过烧、欠火现象等。本课题任务之二便在于设计一种新的控制方案现场 总线控制方案，它是现代计算机技术、通信技术、c r t 显示技术、控制技术( 4 c 技术) 发展的产物。它采用危险分散、控制分散，而操作和管理集中的基本设 计思想，多层分级、合作自治的结构形式，因此它具有更高的可靠性。它具有 良好的人机界面，使操作变得直观、方便。它具有良好的通信功能，使生产车 问对技术部门、管理部门、销售部门变得透明，便于实现以销售为中心的现代 化管理。它还有良好的数据存储与管理功能，便于实现产品跟踪和产品工艺的 改进。目前我国大部分的热处理系统采用的是d d c 系统，如上海梅山钢铁公 司、马鞍山钢铁公司、上海二钢、攀枝花钢铁公司度采用的是此类热处理系统， 因此加热炉系统的计算控制系统设计，不仅有利于提高生产系统的可靠性，而 且有利于现代化管理，实现管控一体化，具有一定的实践意义。 在实现上位机与下位机的接口上，本系统采用了流行的p c i 总线，p c i 总线 它提供了最高可达1 3 2 m b y t e s 的数据传输速率，满足宽带网络的需要，并且 它提供了p n p 功能，为用户带来了巨大方便。本文对p c i 接口实现以及 江苏大学硕士论文 v x d w d m 设备驱动程序的编制也作了初步的研究。 1 2 现代热处理企业自动化发展状况 1 2 1 信息系统广域化 过去热处理企业信息系统是以大型或中型计算机为主机组成的钢铁厂管理 信息系统( m i s ) 的一个子集，信息主要局限于钢铁厂内部，上达公司，下至 车问或班组。近来由于廉价的个人计算机( p c ) 、工作站( w s ，w o r ks t a t i o n ) 和局域网( l a n ) 的出现，以及支持软件如f o c u s ( i b m 公司的面向用户第四 代语言等最终用户程序语言的发展，使控制、信息处理、思考支持等通过通信 媒体实现了内外界联系，以p c 、w s 、l a n 为核心组成的丌放系统提高了利用 各方面信息的能力。这种系统的特点如下： 1 ) 建立了与其他车间之问的联系这主要处于工序前后关联化的需要。例 如热处理要实现生产管控一体化就往往必须与轧钢、精整等车i b j 通信、交换信 启、。 2 ) 建立了从个人到班组、集团之间的联系。过出，个人大都使用p c 机单 独进行处理，现在则使其信息有共享和利用的可能，在个人处理时，就进行分 折并转化为有用信息，然后直接上传从而大大提供了效率。甚至各种会议也通 过信息系统来实现“无纸办公会议”。 3 ) 建立了热处理车间b 到国内外流通范围的联系。这是为了提高服务质量， 降低成本，适应市场的需要。在国外已出现了将各个单独系统，如热处理车间 的生产管理系统( 此系统往往是整个企业如钢铁厂、汽车厂的一部分) 、出货系 统和流通基地系统连接起来，实现一体化管理。 4 ) 建立了从钢铁公司到顾客和社会的联系。即把信息系统扩大到使生产一 物流一销售一体化，不仅将生产部门与公司销售部门联网，而且与外界中间部门 ( 如贸易公司、税务部门、海关) 以至最终用户( 汽车、家电等工厂) 直接联 系，从而使信息更广域化和高效化。还可以通过卫星监视船舶到达地点等信息， 直接向用户报告使之作接受准备。如日本为实现这种e d i ( 电子数据交换) 化，已 经成立了通产省领导下的钢铁网络研究会，制定了“e d i 化实施领域中广大e d i 当事者共同使用的数据交换规则” 1 2 2 人工智能的应用 在同本的热处理车间中人工智能已经大量运用，目前人工智能的利用主要是 信息智能系统，即模糊控制、专家系统和神经元网络，且不断广域化和深化， 规模也越来越大。此外，同本的基础工作也在大力发展，如大规模和分布式知 识库的构造、知识自动获取、机器学习、遗传算法应用等等也已在试用中。总 之，人工智能已经被发达国家的热处理生产视为本世纪的重点应用技术。 江苏大学硕士论文 1 2 3 现代控制理论在新型数学模型中的应用 随着工业结构的不断优化，用户要求获得高质量、多品种、小批量且价格 合理的产品，因而要求更多高精度和适应性更强的数学模型，而传统的工艺理 论建模已难以适应多参数非线性和高度不确定的对象，因此多采用新的控制理 论来建模。 现代控制理论在6 0 年代已经在理论上极为完善，但由于快速计算机、数 值计算法、c a d 环境等尝未很好发展而未能在钢铁工业实践中取得良好的效 果。但1 9 8 0 年将频域设计法和状态空间法结合，出现日。控制理论以及构成鲁 棒控制系统法，采用了反馈和状态参数变换的空间线性化是非线性控制，多重 周期取样控制等，为热处理提供了高品质的控制方法。 1 3现场总线现状与发展 当6 i ，现场总线及由此而产生的现场总线智能仪表和控制系统己成为全世 界范围自动化技术发展的热点m 1 _ l 8 j ，这一涉及整个自动化和仪表工业“革命” 和产品全面换代的新技术在国际上已引起人们广泛的关注。现场总线是连接智 能现场设备和自动化系统的全数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。也 是用新一代现场总线控制系统实现现场通信网络和控制系统的集成。随着国际 现场总线标准的实施，现场总线技术的成熟以及现场总线控制系统的推出，它 将对我国仪表和自控领域产生巨大的影响，也必将对我国热处理企业仪表和控 制系统的应用产生很大的影响。因此，我们应密切关注现场总线技术及现场总 线控制系统的发展。 1 3 1 现场总线的优缺点分析 现场总线是网络技术、仪表技术、计算机技术、自动化技术以及集成电路 制造技术的有机结合。相关技术的发展对现场总线的发展都具有很强的推动作 用特别是网络技术对现场总线的影响十分深刻。从现场总线的相关技术来看， 现场总线是多种技术的集成，它具有如下优点： 1 3 1 1 现场总线的优点分析 ( 1 ) 一对n 结构。现场总线是对传输线，可接n 台仪表，双向传输多 个数字信号。它比模拟仪表一对一接线、单向传送一个信号结构接线简单，安 装费用低，维护方便。 ( 2 ) 可靠性高。控制单元的功能块分散到现场仪表中，由现场仪表构成控 制回路，危险分散，提高了系统的可靠性。现场总线式数字信号传输，抗干扰 能力强、精度高。 江苏人学倾1 论义 ( 3 ) 可互换性。来自不同厂家的现场仪表在功能上可用同一功能的同类仪 表互换。不同品牌的仪表可以互连在同一个网络上。 ( 4 ) 开放式互连网络。现场总线式开放是互联网络，可与同类网络、不同 层网络、不同生产厂家网络互连。网络数据库共享，不同厂家网络和仪表可组 成一个丌放式现场总线控制系统。 ( 5 ) 系统易于重构。现场总线控制系统可根据生产要求，改变控制系统结 构，改进控制算法。 1 3 1 2 现场总线缺点分析 ( 1 ) 通信瓶颈。传统的控制系统中，传感器、执行器机控制单元相互之 间都有专门电缆连接，而使用现场总线之后，物理介质不再由两个物理设备独 享，而是有许多设备分享。对物理介质的访问依赖于介质访问( m a c ，m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 ) 协议。因此，必须对通信流量进行监控才能确保消息在截止期 限到达之f j 完成传输，所以不适宜用于实时应用。 ( 2 ) 缺乏一致性。现场总线系统中没有中央存储器，因此必须提供相应 的协议来保证每个变量拷贝的数值相同：没有单一的时钟，一次必须提供时钟 同步来保证变量及事件的时i h j 标签的一致性。当然现在已有一些算法可完成较 为准确的时钟同步，精度主要取决于每个时钟的漂移及再同步周期。 1 3 2 我国热处理器企业应用现场总线的发展方向 随着现代热处理生产的发展，对仪表系统提出了更高的要求，电动仪表逐 步向数字化、智能化方向发展，d c s 向现场总线方向发展，计算机系统向网络 化、丌放化发展，为了进一步发展我国仪表与控制系统，提高热处理仪表控制 系统应用水平，增加经济效益，现提出以下几点建议： 提高现有d c s 应用水平、增加效益。目前，国外又推出现场总线和现 场总线控制系统，但这些新技术，新的智能仪表和控制系统仍处于试用阶段。 笔者认为当前重点是提高现有d c s 应用水平，增加经济效益。八五期间新建和 技改的石化生产装量大多数利用d c s ，现已有3 0 0 多套，有的d c s 配了先进 控制软件，效益明显，但有的仅取代常规仪表，效益不明显。建议在用好d c s 的基础上加快开发和采用先进控制技术步伐，石化企业采用的先进控制方法主 要有多参数预估控制、自适应控制，组分推断控制，模糊控制以及最佳化控制 等，都取得了较好效果。最近，韩国浦项钢铁公司在我国张家港市不锈钢有限 公司t d c3 0 0 0 型d c s 上配了模糊控制，取得了很好的效果。为了加快先进控 制理论的应用步伐，在引进、消化国际先进控制技术的同时，也应加强组织国 内丌发工作，抓试点，并推广应用技术成熟、有效果的软件。 研究从现有模式仪表系统向f f 现场总线全数字系统过渡的方式。根据上 垩蔓查兰堡主堡茎 述介绍，现场总线有很多优点，但我们不会也不可能把现有正在运行的仪表系 统拆下来改为新系统。新旧系统的更改将会有一个很长的过程，正如采用d c s 系统一样，自1 9 7 5 年推出d c s 以来，至今已有2 0 多年了，现代热处理企业约 有上百套装置，仅有3 0 多套采用d c s ，大量使用的仍是模拟仪表或单回路数 字仪，有一部分是智能仪表。此外，现场总线和产i z 。! i ：1 “：y o 厂1 , 7 8 1 1 2 在简单工厂试运行， 还未用于比较复杂，规模较大的系统，现场总线技术达到安全成熟阶段和用户 真正采用现场总线都需要一个逐步过渡的过程。 工业p c 广泛使用，占领相当大的市场工业p c 应用于工业自动化是实现 低成本自动化的重要途径。我国工业p c 的丌发和应用取得了较大的进展。笔 者认为采用工业p c 是生产过程技术改造、技术进步行之有效的措旌之一，有 些中小规模装置或项目，不一定都采用价格较高的d c s 。 密切关注现场总线发展动向。我们有必要及时了解国内外现场总线的发 展动向和试用情况，尤其要关心现场总线将会对热处理企业自控系统发展的影 响。热处理企、业在制定仪表控制应用、发展规划以及科研丌发规划时，建议要 考虑现场总线技术的影响，并制定相应的对策，抓好现场总线智能仪表和控制 系统的试点工作，以取得经验并指导新技术的应用工作。 1 4 全文概貌 本文结合课题“基于c a n b u s 的热处理车阳j 温控系统研究”，在以往研究 的基础上，侧重讨论了系统总线适配器的硬件设计和系统驱动程序、组态软件 设计以及鲁棒控制算法设计。具体安排如下： 第一章首先介绍了本课题的研究背景及其意义，然后介绍了国外先进热处理 车间的发展状况，最后介绍了几种典型的现场总线并对其特点进行了分析。 第二章首先介绍c a n 总线技术，然后又介绍了p c i 总线及其适配器a m c c $ 5 9 2 0 ，最后根据系统总体网络拓扑结构设计了基于p c i 总线的c a n 总线网络 适配器，并介绍了该适配器的软件设计。 第三章首先介绍了w i n d o w s 2 0 0 0 斛t 驱动程序的运行机制，然后结合w d m 驱动程序的编制方法与步骤详细介绍了本系统总线适配卡驱动程序的设计。 第四章首先对组态软件进行了功能分析，然后介绍了o p c 技术及其在本系统 中的应用，最后详细介绍了组态软件的总体设计和具体实现并给出了一些系统 界面。 第五章主要介绍了下位机的鲁棒控制算法，首先说明了鲁棒控制问题的概念 和鲁棒控制理论的发展过程，然后介绍了系统鲁棒稳定性的判据及其鲁棒稳定 控制器的设计。最后对系统进行了仿真，在系统仿真时介绍了系统参数辨识和 模型不确定性辨识及其仿真结果。 第六章是对全文的总结以及对今后研究的展望。 垩堑查兰堡主堡苎 第二章系统总体结构及其硬件设计 2 1引言 自动控制技术是当代发展极为迅速、应用十分广泛、最引人注目的高技术 之，也是推动新技术革命的核心技术。随着计算机硬件、软件技术及集成电 路技术的迅速发展，工业控制系统已成为计算机技术应用领域中最具活力的一 个分支，并取得了巨大进步。为了满足系统可靠性和灵活性的高要求，工业控 制系统的发展主要表现为控制面向多元化和系统面向分散化，即实现负载分散、 功能分散、危险分散和地域分散。现场总线控制系统就是为适应这种需要而发 展起来的。这类系统是以微型机为核心，将5 c 技术c o m p u t e r ( 计算机技 术) 、c o n t r o l ( 控制技术) 、c o m m u n i c a t i o n ( 通信技术) 、c r t ( 显示技术) 和c h a n g e ( 转换技术) 紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故 障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中性计算机控制系统都具有明显 的优越性。 现场总线已成为工业数据总线领域中最为活跃的一个领域。现场总线的研 究与应用已成为工业数据总线领域的热点。尽管目前对现场总线的研究尚未能 提出一个完善的标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采 用。同时，正由于现场总线的标准尚未统一，也是的现场总线的应用的不拘一 格地发挥，并将为现场总线的完善提供更加丰富的依据。 2 2c a n 总线技术 2 2 1c a n 总线规范 c a n 遵从o s i 模型，按照o s i 基准模型，c a n 结构化分为两层：数据链 路层和物理层，按照i e e e8 0 2 2 和i e e e8 0 2 3 标准，数据链路层又分为：逻辑 链路控制( l l c l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) ：媒体访问控制( m a c m e d i u m a c c e s s c o n t r 0 1 ) 。物理层又划分为：物理信令( p l s - p h y s i c a ls i g n a l i n g ) ；物理媒体附属装 置( p m a p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ) ；媒体相关接口( m d i m e d i u md e p e n d e n t i n t e r f a c e ) 。 l l c 帧包括l l c 数据帧和l l c 远程帧，其数据帧结构为： 其中：标示符长度为1 1 位：d l c 为d a t al e n g t hc o d e ，即数据长度码场；数 据场包括0 - 8 个字节，每个字节包括8 位。其远程帧的结构为 坚蔓盔兰堡主兰苎_ 一 m a c 帧包括数据帧、远程帧、出错帧、超载帧和帧间空间，分别用于数据 传输、请求远程数据、报错、扩展帧序列的延迟时间和隔丌帧间位场。 c a n 总线的物理层是将e c u 连接至总线的电路实现。e c u 的总数首先与 总线上的电气负载。其物理信令( p l s ) 实现与位表示、a b , 1 - j u 同步相关的功 能；p m a 子层实现总线发送接收的功能电路并可提供总线故障监测方法；m d i 实现物理媒体和m a u 之阳j 机械和电气接口( m a um e d i u ma c c e s su n i t ) 表不 用于耦合节点至发送媒体的物理层的功能部分。m a u 由物理媒体附属装置和媒 体相关接口构成。 2 2 2c a n 总线控制器 c a n 总线控制器是c a n 总线的核心部件，它封装了c a n 总线协议。在本 系统中，我们采用的是i n t e l 公司生产的c a n 总线通信控制器8 2 5 2 6 。它是 一种执行c a n 规程的独立c a n 控制器，其主要特征为： 易于总线配肴! 的多主机争用 报文确定总线访问优先权 数据长度o 8 个字节、 广播报文传送 高优先权报文的低延迟时间 8 2 5 2 6 包括实现总线上c a n 规程的所有硬件模块( 传输层和目标层) 。这些 硬件模块执行高性能串行通信协议的所有必要性能，当连接至微处理器时，8 2 5 2 6 可完成物理层和数据链路层的基本功能。其原理图如图2 2 1 所示： | 芏】22 18 2 5 2 6 原理图 8 望苎查兰堡：! 丝苎；一 8 2 5 2 6 使用分时复用的8 位地址数据总线同c p u 协同工作，c p u 和8 2 5 2 6 2 _ 1 日j 的命令、数据和状态交换可通过8 位并行总线进行。8 2 5 2 6 内双1 2 1r a m 作 为c p u 和接口管理处理器之间的通信缓存接i ：q 。8 2 5 2 6 内6 个r a m 留作全局 的控制和状态寄存器。c p u 负责初始化全局的状态和控制寄存器并在通信缓存 器内建立数据结构( 通信目标) 以接受和发送确定的报文。c p u 和8 2 5 2 6 之间 的命令，数掘和状态交换均通过8 位并行总线进行。c p u 使用c s 、a l e 和r d 信号，8 2 5 2 6 接收到的数据和状态信息，8 2 5 2 6 使用中断线通告c p u 出错或数 据成功传送。 8 2 5 2 6 与总线相关的部件有位流处理器，收发控制器、控制逻辑、总线定时 逻辑和错误管理逻辑。与c p u 相关的部件有接口管理器、r a m 和处理器单元。 位流处理器、总线定时逻辑、收发控制逻辑和错误管理逻辑均为2 线串行接口 单元。位流管理逻辑控制接口管理处理器( 并行数据) 和总线( 串行数据) 之 间的数据流，位流控制器也控制收发控制逻辑和错误管理逻辑。收发控制逻辑 包括位填充逻辑，可编程输出驱动器逻辑，c r c 逻辑和数据移位寄存器。位流 处理器分别确定元素，而又收发控制逻辑实现接收、仲裁、发送和出错信令。 总线定时逻辑通过差分输入比较器监视总线并确定串行总线的位定时。总线定 时逻辑同步于帧发送起始，而在帧接收期间，同步于下一次发送。总线定时逻 辑也提供可编程时问段以补偿传播延迟时间和相位移，出错时，通过总线定时 逻辑向错误管理逻辑报告。然后错误管理逻辑将错误统计情况通告位流处理器、 收发控制逻辑和接口管理处理器。 接口管理处理器执行主控制器命令并控制串行总线上的数据传送、全局状 态和控制寄存器位。处理器接口单元时8 2 5 2 6 至c p u 接口。8 2 5 2 6 可以不需要 任何附加逻辑接口至i n t e l 和其他控制器。处理器接口单元包括分时复用8 位 地址数据总线、读写控制、地址锁存允许、复位、中断和准备好输出以及用于 附加1 6 位i o 引脚的口0 口1 和用于附加系统外设器件的3 个片选输出信号。 8 2 5 2 6 的通信缓存存储区，由用户在上电后的初始化期间设定，它包括确定 控制寄存器、通信目标和用于标志通信和d p r a m 区域结束的e n d 标志。每 个单独的通信目标均标以表示符、控制位和数据，c p u 仅依靠通信缓存器完成 报文传送。8 2 5 2 6 的总线接口逻辑管理总线信息流通。 2 3 系统总体网络拓扑结构设计和传输介质选择 c a n 总线网络采用的拓扑结构是令牌总线网，即在物理上是一个总线网， 在逻辑上是一个令牌网。令牌总线网具有总线网接入方便、成本较低、可靠性 较好的优点，也具有令牌环形网“无冲突”、可扩展性好、时延性好的优点，综 合这两种网的优点，克服了总线网在站点多、通信任务重时，延时明显加大的 缺点，同时也克服了令牌环形网中站点间通信不方便、可靠性差的缺点。 坚苎：查兰堕主堡苎一 2 4 总线式控制网络总体方案的确定 本着保证系统可靠性工作和功能实现的前提下，尽可能设计出具有较好通 用性、实时性、可扩展性和低成本的系统原则，最终决定本系统设计采用： 系统网络类型采用现场总线中的c a n 总线网络结构； 总线拓扑结构为令牌总线网； 传输介质采用双绞线； 系统主要由上位计算机和控制节点组成； 上位机采用基于p c i 总线的c a n 适配卡实现上位应用软件和下位控制 节点的物理连接； 由于p c 机价格低廉而且便于组网、调度和集中管理的特点，上位机采 用普通p c 机： 上位应用软件采用w i n d o w s 操作平台以满足界面丰富、使用方便的要 求，利用v i s u a lc + + 作为软件丌发工具，并利用w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 丌发驱动程序以满足w i n d o w s 环境下的实时工控要求； 由于p c i 总线同渐流行而且数扼传输速率高，因此系统采用p c i 总线： 系统的总体结构框架如图2 41 所示： c a n 总线 圈。圜匮 图24 i 东筑总线结构框梨 2 5 基于p c i 总线的c a n 总线适配器设计 由于p c i 总线规范十分复杂，其接口设计有比较大的难度。目前适宜p c i 总线接口开发的芯片分为两类：一类是符合p c i 总线规范的p l d 芯片，如 a l t e r a 公司提供的c p l d 器件f l e x 8 0 0 0 系列和x i n l i n x 公司提供的f p g a 器件x c 3 1 0 0 a 系列；另一类是p c i 总线专用控制芯片，如a m c c 公司生产 的p c i 总线控制接口芯片s 5 9 x x 系列。用p l d 芯片设计p c i 总线接口需要 大量人力、物力和时间，开发周期较长，而用专用芯片设计p c i 总线接口却是 一种省时省力的好方法，在本课题中，我们选用了a m c c 公司的s 5 9 x x 系列 望堑叁兰堡主堡苎一一 的p c i 接口专用芯片。由于我们设计的系统只需要p c i 控制器实现一般的数据 传输需要，另外，出于价格方面的考虑，我们选用了$ 5 9 2 0 控制器。 2 5 1p c i 总线接口芯片$ 5 9 2 0 $ 5 9 2 0 的原理图251 所示。从图中可以看出$ 5 9 2 0 提供了3 中物理总线接 口：p c i 总线、板上逻辑总线( a d d o nl o g i c ) 以及可选n v r a m 接口总线。数 据传输发生在p c i 总线和板上逻辑之间，或p c i 总线和外部n v r a m 接口总线 之间。p c i 总线与a d d o n 逻辑总线问的数据传输有3 种方式，分别为通过邮 箱寄存器、f i f o 及p a s s t h r u 通道传输。其中，邮箱寄存器方式是$ 5 9 2 0 为 用户提供的p c i 总线和板上逻辑总线问数据传输的简单数据通路。在p c 种这 些邮箱寄存器将被映射到系统的i o 空间中，通常用作用户的命令、状态和参 数寄存器来控制f i f o 和p a s s t h r u 方式下的批量数据传输。在实际应用中， 邮箱寄存器的功能可以由一条映射到系统i o 空间的p a s s t h r u 通路实现。 $ 5 9 2 0 中有两条独立的f i f o 数据通路：一个f i f 0 处理c p u 总线到板上逻辑总 线间的数据传输。这两块f i f o 都支持实现p c i 总线控制器，即p c i 主设备。 而且，他们都由独立的基地址寄存器和传输计数器，这为通过实现p c i 总线控 制器来实现p c i 总线上的d m a 传输提供了方便。$ 5 9 2 0 的p a s s t h r u 方式又 分为主动模式与被动模式两种。主动模式简化了接口电路的设计。p a s s t h r u 通道的实质就是通过对p a s s t h r u 区域定义将a d d o n 上的资源映射到系 江苏大学硕士论文 _ - j - _ _ 一 统空问，p c 可通过对p a s s t h r u 区域的访问来访问a d d - o n 上的资源。 $ 5 9 2 0 提供4 个用户可设置的p a s s t h r u 区域，在系统配置周期，p c i b i o s 根据配置空间的设置给每个区域分配地址。这些地址可以映射到系统的i o 空 间或内存空间。在p c 系统中，i 0 空间通常被用作命令，状态和小批量、慢速 的数据传输，这是由i n t e lc p u 的指令系统和p c 的系统结构决定的。虽然p c i 标准中规定在i o 和内存空间都支持猝发操作，但i o 空间的猝发操作需要一 系列复杂的软硬件相互配合才能完成，而这些软硬件的添加必然会导致传输性 能的降低。比较$ 5 9 2 0 的三种工作方式，邮箱寄存器不适合大批量的数据传输， f i f o 则会使系统软硬件设计的难度加大，p a s s t h r u 方式不仅设计简单，而 且还能通过编程p t c r 寄存器设定o