（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式internet的直流力矩电机远程控制研究.pdf

江南大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e m e t c o n v e n t i o n a ld c si n d u s t r i a ic o n t r o is y s t e ma r e n o wf a c i n gn e wc h a l l e n g e b e c a u s et h e r ea r el a r g en u m b e r so fe m b e d d e dd e v i c e si n i n d u s t r y ，i tb e c o m e saf a s h i o nt op u tt h ee m b e d d e dd e v i c e st ol o gi ni n t e m e ta n dr e a l i z et h e r e m o t ec o n t r o lb a s e do ni n t e r n e t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho nt h e r e m o t ec o n t r o is y s t e mb a s e do ne m b e d d e di n t e m e th a sb e e nm a d e ： f i r s t l y , t h er e s e a r c ho ft h ef o r e i g ne m b e d d e di n t e m e ta n dt h ea p p l i c a t i o nt or e m o t e c o n t r o la r ea n a l y z e di nt h ep a p e r t h er e s e a r c hm o d eo ft h i sp a p e r , ar e a lr e m o t ec o n t r o l s y s t e mh a sb e e np r o p o s e da n dt h ek e yp r o b l e mi nt h i sp a p e r ，t h er e a l - t i m eo fn e t w o r kh a s b e e nd i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ed e e p l yr e s e a r c ho nr e a l - t i m eo f r e m o t ec o n t r o l s y s t e m h a sb e e n d o n e b a s e do nt h ea c h i e v e m e n to fo t h e r s w eh a v ep u tt h ee m p h a s i so nr e d u c i n gt h el o a d o fn e t w o r ka n di m p r o v i n gt h er e a l - t i m eo fp r o t o c o ls t a c k a i m i n ga tr e d u c i n gt h el o a do f n e t w o r k am e t h o dn a m e dl i m i t e de r r o rr e p o r t e ds a m p l i n gw a sp r o p o s e d o nt h eo t h e r w a y , w eh a v ep u tm o r ee f f o r to ni n t e m e ts t a c k b a s e do no t h e ro p e n i n gc o d es t a c k s ，w e h a v ed e s i g n e dan e wl i g h t - w e i g h tt c p i ps t a c k ，a n dt e s t e di t a tl a s t ar e m o t ec o n t r o ls y s t e mw h i c hi sb a s e do ne m b e d d e di n t e m e ta n dt a k e sd c t o r q u em o t o ra sc o n t r o l l e do b j e c th a sb e e nc o n s t r u c t e d i nt h ef i e l ds u p e r v i s o rp a r t l p c 2 2 1 4i nt h es e r i e so fl p c 2 2 10o ft h ep h i l i p sc o m p a n yi st a k e na sc o n t r o l l e ra n dt h e d r i v ec i r c u i th a sb e e nd e s i g n e d a m o n gt h es o f t w a r e 。t h ef i e l ds u p e r v i s o rp a r tc a r r yo u t t h e d a t ac o l l e c t i o n ，p r o d u c ec o n t r o ls i g n a la n dp r o v i d ep r o t e c t i o n i ta d o p t se m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i o ns y s t e mp c o s i i a si t s o p e r a t i o ns y s t e m w h i c hi sp o r t e dt ol p c 2 2 1 4 t h e r e m o t ec o n t r o lp a r tm a i nc o m p l e t ep i do p e r a t i o n s h o wt h es t a t u so ft h et o r q u em o t o e a n ds e n dt h eo p e r a t e dd a t at ot h ef i e l ds u p e r v i s o rp a r t t h es o f t w a r ep a r tw a sh o l i s t i c a l l y d e s i g n e da n dr e a l i z e sb yp a r t s t h ef i n a l r e s u l tp r o v e st h a tt h ew o r ko ft h i s p a p e ri s e f f e c t i v e k e yw o r d s ： e m b e d d e di n t e m e t ；r e m o t ec o n t r o l ；r e a l - t i m e ；p r o t o c o ls t a c k ；p c o s - 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ， 签名：丘l 主坚一e t 舅t l ：1 年尹月i , e i 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将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、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：盘至! 立导师签名： 1 e l 期：叫年月c 。e l 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 远程控制发展概况 将控制器和被控制对象在地理位置上进行分离，能实现所谓的远程控制。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和处理 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。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机技术、网络技术和通讯技术的进步，研究人员开始考虑 能否在世界范围内，通过网络使被控制对象的运动信息自由、正确的传送以满足控制要求。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 - 4 2 2 标准时，在l o m b s 传输速度下，其最大传输距离为1 2 0 0 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。 8 0 年代末9 0 年代初发展起来的现场总线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。从本质上讲，现场总线技术是一种数字通信协 议，是连接智能化现场设备和自动化系统的数字式、全分散、双向传输、多分支结构的通信网 络，是控制技术、仪表工业技术和计算机网络技术三者的结合。现场总线出现后，网络化、集 成化、智能化便成为工业控制系统中发展的一种必然趋势嘲。但是通信协议上讲，和i s o 0 s i 七层体系结构相比，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。并且现场总线的通讯标准尚未统一，各厂商以各自的利益为目标，为 了使自己的技术和产品能够占领整个世界市场，围绕着现场总线技术的标准化，展开了剧烈 竞争，由此使现场总线的标准各种各样，使得各厂商的仪表设备难以在不同的现场总线控制 系统( f c s ) 中兼容。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 r n 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 r n e t 技术引入了远程控制领域，基于i n t e r n e t 远程控制具有很高的灵活性，不受地理条件的限制， 实现了真正的无处不在的远程控制。”1 。 以i n t e r n 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 江南大学硕士论文 式的时空限制和地域障碍，使更大范围的通信变得十分容易，并且具有高通讯带宽、更高的 稳定性等特点。再者，支持i n t e r n e t 通信的网络设备比较多，设备成本比较低；熟悉以太网 网络操作的用户较多，整个系统的培训、维护都比较容易。因此，i n t e r n 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、高档测量仪器设备资源的远程实时调用、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 n t e r n 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i n t e r n 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。 1 1 2 嵌入式i n t e r n e t 的发展概况嘲叫们 1 1 2 1 嵌入式i n t e r u e t 的概念 嵌入式i n t e r n e t ( e m b e d d e di n t e r n e t ，简称e i ) 通常可以理解为嵌入式网络技术，最初主 要指如何把嵌入式系统接入i n t e r n e t 嵌入式系统。目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但 没有一种是全面的。其中一种较为通用的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件 硬件可以裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积及功耗严格要求的专用计算机系 统。对于嵌入式i n t e r n e t ，可如下定义：嵌入式i n t e r n e t 是指把t c p i p 协议作为一种嵌入 式应用，从而实现接入i n t e r n e t 的功能。也可以简单理解为是一种采用嵌入式模块而非p c 系统直接接入i n t e r n e t 的技术。 1 1 2 2 嵌入式i n t e r n e t 的特点 嵌入式i n t e r n e t 的服务对象通常是嵌入式系统，而不是传统的以p c 机为基础的i n t e r n e t 协议。嵌入式i n t e r n e t 具体特点包括以下几个方面： ( 1 ) 很强的移植性 时至今日，嵌入式系统的发展规模已经非常庞大。其应用行业包括：i 程控制、通讯、仪 器、仪表、汽车、航空、军事设备等。由于其产品种类繁多，很难有一种嵌入式i n t e r n e t 可 以适用于任何一种产品。所以，作为一款嵌入式i n t e r n e t 产品，降低开发人员的使用难度，要 有比较好的移植性。由于c 语言的移植性很强，所以嵌入式i n t e r n e t 协议一般是用c 语言 来实现的。 ( 2 ) 很好的实时性与可靠性 由于嵌入式i n t e r n e t 应用主要是嵌入式领域，这就要求协议栈在实现上对系统响应时间 等一系列实时性能指标加以着重考虑。同时嵌入式i n t e r n e t 应该具有高度的稳定性，嵌入式 i n t e r n e t 的应用对象可能是工业仪器或者军事设备，这些设备要求比普通计算机系统具有更 高的稳定性。实时性和可靠性是衡量嵌入式i n t e r n e t 优劣的重要标志。 ( 3 ) 很好的裁减性 由于嵌入式应用的要求差别很大，各种嵌入式应用对系统的要求不尽相同。为了便于用 2 第一章绪论 户根据各自的需要裁减，嵌入式i n t e r n e t 都应该向用户提供可裁减功能。 由于嵌入式系统的存储资源有限，为此要求协议栈尽量精简。所以嵌入式i n t e r n e t 设计 原则应该尊重协议分层，明确各层间接口。应用人员在根据设计资源选择自己所需要的功能 或者加入一些新的服务时只需修改一层的功能，其他层提供的功能可以继续使用。 1 1 2 3 嵌入式i n t e r n e t 的研究背景与研究现状 目前嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，如通用的计算机的外部设 备中就包含了多个嵌入式微处理器：鼠标、键盘、显示卡、网卡等。在制造业、通讯、汽车、 消费类产品等方面嵌入式微处理器均有广泛的应用。埘m “1 。2 0 0 4 年，全球嵌入式系统产品 的产值已达2 0 0 0 亿美元，国内嵌入式产品的产值也达到6 0 0 亿人民币。当前，嵌入式系统 产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化、工业化促进信息化发展的新的国民经济 增长点。 如今，i n t e r n e t 已经遍布全球，目前的i n t e r n e t 的基本表现为c l i e n t s e r v e r 体系结构 ( 客户机服务器) 和b r o w s e r s e r v e r 结构( 浏览器服务器) 。这里的服务器都是相对复杂的 。胖服务器”，随着后p c 时代的到来，贝尔实验室的总裁a r u nn e t r a v a l i 和其它一批科学 家预测：“将会产生比p c 时代多成百上千倍的瘦服务器和超级嵌入式瘦服务器，这些瘦服务 器将与我们这个世界你能想到的各种物理信息、生物信息相连接，并通过i n t e r n e t 自动的、 实时的、方便的、简单的把这些信息提供给所需要的对象“”。由此可见，后p c 时代是一个嵌 入式系统和i n t e r n e t 相结合的时代，是一个具有联网功能的嵌入式系统代替p c 在 i n t e r n e t 网络中占主导地位的时代，这种趋势促进了e i 技术的发展。 嵌入式i n t e r n e t 技术始1 9 9 4 年，微控制器和微处理器在工业自动化和设备管理中采 用t c p i p 协议接入网络，初期的进展比较缓慢。近几年来，由于微电子技术的迅速发展， 微控制器和微处理器的性能大大提高，而价格却大大降低。与此同时，因特网也以前所未有 的速度向前发展，网络通信的性能、质量和可靠性得到稳步提高，网络普及速度迅速提高， 因此，国内外投入嵌入式i n t e r n e t 研究的公司逐渐增多。参与研究的公司规模大小差异很 大，大的如p h i l i p s 、m o t o r o l a 、n e c 、u b i c o m 等公司，小的到一些刚刚成立的高科技公司。 总之，由于嵌入式设备连上因特网的巨大商业价值和市场潜力，很多公司投入力量精力研究， 使得嵌入式i n t e r n e t 技术的研究和应用呈现出加速发展的趋势“”“”。 1 1 3 嵌入式i n t e r n e t 技术是基于i n t e r n e t 的远程控制系统的核心技术 以i n t e r n e t 和以太网为代表的各类网络技术的应用和普及，拓展了控制系统的作用空间， 为新一代控制模式和控制系统的发展奠定了基础。借助i n t e r n e t 的低成本接入技术，构建具 有更高性价比的监控自动化系统，在工农业生产、医疗保健、家庭自动化等领域具有广阔的 应用前景。传统的控制系统设备上网解决方案需用p c 机作为联入i n t e r n e t 的“接口”，这种 i n t e r n e t 接入方式太昂贵、太大、太复杂、太笨拙。而且对于大多数设备而言，只需要通过 p c 机联入i n t e r n e t ，而不需要p c 其他功能，显然这中接入方式显得太浪费“”。而基于嵌入式 3 江南大学硕士论文 i n t e r n e t 的远程控制的技术实际上是在现场设备中嵌入i n t e r n e t 技术或在设备中安装嵌入 i n t e r n e t 技术的网络部件，也就是说，把t c p i p 协议作为一种嵌入式应用，从而实现接入 i n t e r n e t 的功能。也可以简单理解为一种采用嵌入式模块而非p c 系统直接接入i n t e r n e t 的技 术。这种i n t e r n e t 接入技术在很大程度上降低了系统的造价，提高了设备接入i n t e r n e t 的自由 度，因此目前成了基于i n t e r n e t 的远程控制的一个热点。但是，这种嵌入式t c p i p 协议与一般 操作系统中t c p i p 协议有很大的不同。传统的t c p i p 协议实现主要保证数据传输的可靠性以 及数据流量的控制上，在实时性方面做的不够好。而在嵌入式t c p i p 中，首先要满足系统的 实时性。另外，传统的t c p i p 协议是由众多协议组成的协议族，内容非常复杂且占用系统大 量的资源。而现场设备的系统资源非常有限，这就要求在满足系统使用的条件下，尽量地简 化传统的t c p i p 协议，使协议栈保证反应的实时性、代码的精简性和协议的可裁减性，使嵌入 式i n t e r n e t 能满足工业控制的需要。 1 2 本课题的研究意义 传统的自动控制系统的数据采集、传送和处理是一个自成封闭的专用系统，这和集中、封 闭的生产方式和规模是相适应的。伴随着经济发展的全球化推进和与此相适应的信息技术、 因特网技术的飞速发展，信息互连技术已经渗透到社会经济的各个方面，融合了控制理论和网 络技术的远程控制顺应了时代科技和经济发展的需要，成为控制技术的发展的重要方向之一。 同时，嵌入式i n t e r n e t 的发展，使远程被控设备可以方便、低成本的接入因特网。因此基于嵌 入式i n t e r n e t 的远程控制将是今后远程控制的一个热点。 目前，基于嵌入式i n t e r n e t 远程控制中有几个关键问题需要解决：第一，嵌入式i n t e r n e t 的接入问题：包括接入的技术和接入的成本“”“”。如何使得工业控制中大量的嵌入式设备接入 i n t e r n e t ，这个问题目前国内外有很多公司：r a b b i t ，m i c r 0 c h 工p ，e d v i c e 在研究，包括研制出 一些嵌入式i n t e r n e t 接入芯片；浙江大学的王勇博士做的如何实现8 位机器接入i n t e r n e t 等“”。第二，网络的实时性问题。作为一个控制网络，特别是运动控制等对实时要求非常强的 系统，实时性的好坏是一个远程控制系统成功与否的关键。目前，所谓的远程控制系统大部分 都是远程监控系统，即控制系统做在下位机器，远程机通过i n t e r n e t 来监视下位机。这种系统 对实时性要求不是很强，在某一定程度上比较好满足“”。而真正意义上的远程控制系统，目前 虽然研究的人比较多，但是大部分都只是在理论方面，工程上应用还很不成熟。 本文所研究的系统，把控制环节做在上位机，构件一个真正意义上的远程控制系统，并在 解决实时性方面做了一些工作，如设计适合实时控制系统的嵌入式i n t e r n e t 协议栈等。最后 建立了一个直流力矩电机的远程控制平台，验证了所做工作的有效性。可以看出，对本课题的 研究具有比较大的工程实际价值。 1 3 本文研究的主要研究内容 远程控制是本课题组研究方向之一，前面研究锄“儿翻主要之中在现场总线方面，并取得 4 第一章绪论 了一定的成绩。本文研究内容基于嵌入式i n t e r n e t 来实现远程控制，对于远程控制中最关键 的问题一实时性问题，本文对进行了讨论，着重在减少网络负载和提高协议栈的性能做了一定 的研究，并取得了一定的成绩。 本文研究内容分为五个部分： 1 、综述了远程控制的发展概况，介绍了嵌入式i n t e r n e t 的定义、特点、研究背景、当 前国内外研究现状；提出了基于嵌入式i n t e r n e t 的远程控制是远程控制的技术核心。 2 、介绍了当前远程控制系统的组成及控制方式，指出了本文所要研究的远程控制结构。基 于当前电机控制在工业控制中应用的范围非常广泛的考虑，提出了本文所研究的远程控制模 型一基于嵌入式i n t e r n e t 的直流电机远程控制模型。实时性是评价一个远程控制系统优劣的 重要标志，本章从概念、引起原因方面对实时性进行了分析。结合本文所要研究的嵌入式 i n t e r n e t 的远程控制系统，给出了几种提高网络实时性的解决方案。 3 、为了满足基于嵌入式i n t e r n e t 的远程控制系统实时性等方面的需要，本文在参阅当前几 种常见的开源协议栈的基础上，设计了自己的协议栈。本协议栈结合了远程控制的特点，从提 高实际时性入手，在不影响传输可靠性的基础上，对标准的t c p i p 协议栈进行了改造和裁减， 这是本文的一个重点。 4 、在上面几章的基础上，进行了电机远程控制的硬件实现和软件实现。硬件部分包括电源、 网络控制芯片接口、电机驱动、数据采集等几大部分部分电路设计。软件部分包括两部分： 下位机部分和是上位机部分。下位机部分软件采用基于嵌入式实时操作系统平台，主要实现 协议栈、数据处理、采集和保护等功能。其中数据处理部分利用本文所提出的限定误差报告 法来减小网络负载。上位机部分实现运算、显示功能。为了防止网络中断对电机的控制造成 灾难性的后果，在下位机中采用了保护p i d 算法。最后对系统实现结果进行了分析。 5 、总结了本论文在基于嵌入式i n t e r n e t 的电机远程控制中所做一些工作，并指出本文研 究的不足和今后需要进一步要研究的问题 参考文献 1 阳宪惠现场总线技术 m 第2 版北京：清华大学出版社。1 9 9 6 2 - 1 0 1 2 陈秋良现场总线技术综述 j 兵工自动化，2 0 0 1 ，2 0 ( 1 ) ：1 3 1 6 3 熊诚锋王旭永基于i n t e r n e t 的远程控制网络 j 自动化仪表，2 0 0 1 ，2 2 ( 4 ) ：4 - 5 4 陶波，丁汉，熊有伦基于嵌入式i n t e r n e t 的工业控制 j 测控技术，2 0 0 1 ，2 0 ( 8 ) ：3 7 - 4 1 5 关沫，赵海，孙莉娜，韩光洁一种基于e i 技术的嵌入式设备监控系统的设计与实现 j 计算机工程与应用，2 0 0 4 ，4 0 ( 3 ) ：1 0 7 1 0 8 6 关沫，赵海，王小英，韩光洁一个嵌入式i n t e r n e t 软件开发平台的研究与实现 j 计算 机工程，2 0 0 4 ，3 0 ( 2 0 ) ：3 0 3 1 7 阙建荣嵌入式i n t e r n e t 体系结构研究 j 微型机与应用，2 0 0 4 ，2 3 ( 3 ) ：4 6 江南大学硕士论文 8 l o uj i a j u n 。w u m i n g g u a n g d e s i g n o fe m b e d d e dh o m eg a t e w a yb a s e d o n c e b u s j j o u r n a lo fz h e j i a n gu n i v e r s i t y ( e n g i n e e r i n gs c i e n c e ) ，2 0 0 4 ，3 8 ( 4 ) ：4 0 2 4 0 7 9 吕京建，肖海桥面2 l 世纪的嵌入式系统 j 半导体技术，2 0 0 1 ，2 6 ( 1 ) ：卜3 1 0 g u a nm o ，h a ng u a n g j i e ，z h a n gw e n b o ，e t ar e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mf o re m b e d d e d i n t e r n e ta p p l i c a t i o n s j j o u r n a lo fn o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y ，2 0 0 4 ，2 5 ( 7 ) ：6 4 9 6 5 2 1 1 f i l m a nr o b e r te e m b e d d e di n t e r n e ts y e t e m sc o m eh o m e j i e e ei n t e r n e t c o m p u t i n g ，2 0 0 1 。5 ( 1 ) ：5 2 5 3 1 2 s z y m a n s k i 。jw e m b e d d e di n t e r n e tt e c h n o l o g yi np r o c e s s c o n t r o ld e v i c e s j f a c t o r yc o m m u n i c a ti o ns y s t e m s 。2 0 0 0 ( 9 ) ：3 0 1 3 0 8 1 3 b i l lg i o v i n o z il o ga n dt h ee m b e d d e di n t e r n e t aw h i t ep a p e r e b o l h t t p ：唧m i c r o c o n t r o l l e r c o m 2 0 0 2 1 4 】吕京建嵌入式因特网的兴起与前景 e b o l h t t p ：w w w b o l - s y s t e m c o r n ，2 0 0 1 1 5 赵宝健，秦现生，蒋黎明远程控制系统网络接口单元的设计 j 微计算机应 用，2 0 0 6 ，2 7 ( 4 ) ：4 1 1 - 4 1 4 1 6 刘淑霞，孙学农，杨宏，梁平嵌入式i n t e r n e t 接入方案的研究 j 青岛理工大学学 报，2 0 0 6 ，2 7 ( 3 ) ：9 4 9 7 1 7 宗群，李然，王波嵌入式i n t e r n e t 控制系统的设计与分析 j 中国工程科 学，2 0 0 5 ，5 7 ( 5 ) 5 3 5 6 1 8 王勇，嵌入式i n t e r n e t 的技术实现及其安全问题的研究 d ： 浙江大学博士论文 浙江： 浙江大学电子科学技术专业，2 0 0 2 1 9 颜建军，宋执环，韩波基于嵌入式i n t e r n e t 的远程 j 2 0 0 3 ，2 0 ( 5 ) ：5 5 5 7 2 0 吴晓鹏，徐保国基于现场总线的多电机同步控制 j 计算机工程与设 计，2 0 0 6 ，2 7 ( 3 ) ：3 6 7 3 6 9 2 1 徐玲，徐保国，肖应旺橡胶硫化罐现场总线智能群控系统 j 计算机测量与控 制，2 0 0 5 ，1 3 ( 6 ) ：5 5 9 5 6 1 2 2 吴晓鹏，徐保国现场总线的l 一天冬酰胺酶i i 发酵过程优化控制 j 计算机仿 真，2 0 0 6 ，2 3 ( 4 ) ：1 7 4 1 7 6 第二章嵌入式远程控制系统组成和实时性分析 第二章嵌入式远程控制系统组成和实时性分析 2 1 基于嵌入式i n t e r n e t 远程控制系统组成 2 1 1 远程系统组成 鉴于上一章的讨论，本章所提到的远程控制系统是基于嵌入式i n t e r n e t 的远程控制系统。 主要由三部分组成：远程监控终端系统，远程数据通信系统和现场设备控制系统，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i t 2 j 。如图2 1 所示 图2 1基于嵌入式i n t e r n e t 的远程控制系统图 f i g 2 - 1c h a r to fr e m o t ec o n t r o ls y s t e mb a s e do ne i 现场设备监控系统：它是直接对现场设备进行监测和控制的系统，它的任务就是监测设 备的运行状态，并作必要的分析和诊断，发布和执行控制命令对设备进行直接的控制。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。对于这里的计算机，采用嵌入式微处理器来实现。它包含了 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。 远程数据通信系统：远程数据传输系统是整个远程监控系统的基石，它为远程终端监控 系统与现场设备监控系统提供数据传输服务，将设备监控系统，设备的设计、制造者及第三 方的技术支持人员紧密地联系起来，在它们之间进行状态信息、控制信息、知识、协作信息 的交互，从而实现设备的远程监控。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。基于上一章嵌入式i n t e r n e t 的讨论，采用其作 为远程数据通讯协议。 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。其目的是对远程设备进行控制和监 测。其所实现的功能主要有远程设备状态的终端显示，控制命令及参数的远端发布，状态数 据的适当分析、处理，以及专业性信息对现场的反馈等多种控制、协作、或服务功能。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，用户是专家或设备制造者，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。 7 江南大学硕士论文 2 1 2 远程系统的控嗣方式 远程控制系统不同于本地的控制系统，设备通过图2 - 1 连接起来后。其系统内存在着非线 性，不确定的延时，或者数据包的丢失。在这种情况下，就要对远程控制系统进行分析，找出适 合其特点的改进方法。 一般的本地控制系统为为开环控制和闭环控制，同样在接入以太网的远程控制系统中同样 存在这 远程监控终端系统 现场设备监控系统 图2 - 2 基于i n t e r n e t 的远程开环控制框图 f i 9 2 。2b l o c kd i a g r a mo fr e m o t eo p e n 。l o o pc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n t e r n e t 沅舞畸樟弊端系统 现场设备监控系统 图2 - 3 基于i n t e r n e t 的远程闭环控制框 f i 9 2 3b l o c kd i a g r a mo fr e m o t ec l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e mb a s e do ni n t e r n e t 由图2 2 和图2 3 的比较可以看出，两者最主要的区别在于控制器所处位置不同。图2 2 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的向远程 监控端发送设备运行信息，而远程监控终端接收到这些数据状态以便对被控对象进行监视并 发出控制命令。开环控制系统可称为网络远程监控系统。 图2 3 中控制器位于远程监控终端系统中，控制器和被控对象通过i n t e r n e t 隔开，系统部 件之间的控制信号和数据信号传递通过i n t e r n e t 来进行。远程控制计算机通过接收i n t e r n 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，然后根 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 r n 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。因此， 本系统是通过网络闭环的反馈控制系统，称为网络控制系统( n e t w o r kc o n t r o ls y s t e m s ，简称 b 第二章嵌入式远程控制系统组成和实时性分析 n c s ) 。n c s 中，其可以将控制策略在远程控制端实现，达到真正意义上的远程控制。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，因此其具有非常大的发展前 景。但是，由于控制器和被控对象分布在i n t e r n e t 的两端，如果网络的延时比较大，系统的可 靠性就根本上得不到保证。目前，基于i n t e r n 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 r n 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。川。 本文所做的研究是基于i n t e r n e t 的远程闭环控制系统，通过对提高网络传输效果做了大 量的工作，提高了远程控制质量，取得了一定的效果。 2 1 3 本文研究远程控制系统模型 本文研究的嵌入式i n t e r n e t 远程控制系统的被控制对象采用电机。目前运动控制在控制 领域中占有的比例，而电机是其中的主要执行部件。1 。本文中电机使用是永磁式直流力矩 电机。永磁式直流力矩电机属于低速直流伺服电动机，通常使用在堵转或低速情况下。其特 点是堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强，长期堵 转时能产生足够大的转矩而不损坏。该电机可作为位置和低速随动系统中的执行元件，不用 齿轮而直接驱动负载，既消除了齿隙又缩短了传动链，并具有反应速度快、特性线性度好、 共振频率高等优点，因而提高了系统的稳定性及静态动态精度。广泛应用于各种雷达天线的 驱动、光电跟踪等高精度传动系统、以及一般仪器仪表驱动装置上嘲啪“”。本文结合本实验室 条件，采用上海微特电机研究所生产的永磁式直流力矩电机建立实验平台，来验证远程控制 系统的性能。 本文的研究重点是基于嵌入式i n t e r n e t 远程控制系统的构成及其控制性能研究，电机只 是该远程控制系统中的被控对象，其特性研究已经比较成熟，所以并不是本文研究的重点。 但是，采用电机作为被控对象的一般控制系统的动态特性指标是评价采用同一类机构作为被 控对象的远程控制系统动态特性的重要指标。下面对系统整体框架进行说明，并提出本文所 要着重研究的问题。 厂r 1 力矩电机 ci n t e t n e t 、1 远程控制y 计算机 u 嵌入式 o 微控制器 医到 图2 - 4 基于嵌入式i n t e r n e t 电机远程控制模型 f i 9 2 4r e m o t ec o n t r o lm o d e o fm o t o rb a s e do r le i 图2 - 4 为本文中要建立的基于嵌入式i n t e r n e t 电机远程控制模型框图。在本章中，仅对 该框图进行了简单的说明，引出围绕该系统所要重点研究的问题。至于每个部分的具体组成 及功能，在第四章中有详细的介绍。 9 江南大学硕士论文 其中虚线框内为现场设备监控系统部分，其中计算机部分用嵌入式微控制器来实现。微 控制器可以对采样来的信号进行a d 处理，并且对远程控制计算机传来的控制命令进行。翻 译”，转化为被控对象进行控制的信号，控制信号经由驱动电路来控制电机。电机的速度信号 经过采样后，经过反馈处理单元，输入微控制器，经过一系列处理后，通过i n t e r n e t 送入远 程控制计算机。远程控制计算机对现场传输过来的设备信号( 电流、电压等) 进行运算处理， 又经过i n t e r n e t 送回到现场设备监控单元。由此，构成了基于i n t e r n e t 的远程闭环控制系 统。同时，为了防止网络中断或者数据丢失对电机控制所造成的灾难性后果，在本单元内采 用保护p i d 算法，即当远程控制端无数据传来时，现场控制端仍然可以保持稳定。 本系统将被控对象和控制器做在i n t e r n e t 的两端，通过i n t e r n e t 来完成系统的闭环控 制。由于信号通过i n t e r n e t 来传递，控制系统的前向通道和反馈通道不可避免的会有时滞存 在，延时的存在会对系统的性能造成恶劣的效果，在实际现场中如果延时过大，有可能会造 成不可预想的损失。因此如何减少延时，提高系统的实时性，就成了该系统研究的最重要问 题，本文从下一节开始，着重讨论这个问题，并从几个方面做了一些改进。 2 2 远程控制的实时性和网络延时的组成 2 2 1 实时性的概念 实时是指信号的输入、运算和输出都要在一定的时间内完成，并根据生产过程状况变化 及时进行处理。而实时系统指在事件或数据产生的同时，能够在规定的时间内给予响应，以 足够快的速度处理，及时地将处理结果送往目的地的一种处理系统。实时与快速并非是相同 的含义，不论网络的传输速度如何，只要在规定的响应时间内产生响应动作，则称系统具有 实时性。而实时网络是指网络中数据传输的时间是确定的，即是可以预测的。也就是说，实 时网络中的数据传输是具有时限的。 其实实时性就是将系统对输入信息做出响应的时间加以约束，即系统的正确性不仅与系 统处理信息结果的正确性有关，而且还与系统得到结果的时间有关，只有系统处理信息的结 果正确和得到结果的时间在规定范围内，系统才是实时系统。当信息输入系统后，系统必需 在一定的时间内做出响应，如果反应结果正确，但超过了时限，就认为系统失败。满足一项 任务的实时性是指其响应时间小于规定的时限。一般实时应用要求有两个突出特点：一是其中 的活动时间性比较强，要求在一定的时刻和( 或) 一定的时间内从外部环境收集信息，按彼此 联系存取已获得的信息和处理收集的信息，再及时做出响应；二是它们要处理“短暂”数据， 这种数据只在一定的时间范围内有效，过时则无意义了。 远程控制系统的实时性有两层含义：一是指基本控制器的实时性。通常，每一台控制器 要具有一定的实时性。一般来说，每一台控制器所要承担的任务不止一项，但每项任务对实 时性都有一定要求，且可能会各不相同。每项任务对实时性的要求将由配置在基本控制器中 的“实时多任务管理程序”来承担；二是指通信网络的实时性。控制系统具有通信功能的基 1 0 第二章嵌入式远程控制系统组成和实时性分析 本单元通过通信网络联系在一起，这些单元称为“站”，当某个站向通信网络请求通信时， 它对“响应时间”是有要求的，不同的站对实时性要求可能不同，同一站中的不同通信任务 对实时性的要求也可能不同。 2 2 2 网络延时的组成 在网络控制系统中，通信频带是最重要的资源之一，同步和数据交