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克服现场总线时变通讯滞后的控制算法研究 摘要 由于现场总线技术的引入，总线通讯滞后也随之被带入到控制系 统中，而且通常这种通讯滞后是时变的、不可预测的。这不仅使得传 统控制理沦中的一些定理不能直接应用到总线控制系统中，而且也给 本来性能良好的控制系统带来不稳定的因素。对于具有时变通讯滞后 的总线控制系统的控制问题进行研究，具有理论意义和实际应用参考 价值。 为此，本课题分别分析了f f 和c a n 总线控制系统的时滞特性； 通过对各种已有补偿算法的分析和比较，针对通讯滞后时变性较高的 c a n 总线，提出了一种改进的s m i t h 预估算法，并给出了四种补偿方 案；在仿真平台上对改进的算法及补偿方案进行了验证和性能评估， 仿真结果证明改进的s m i t h 预估器及补偿方案可有效克服总线时变通 讯滞后，而且算法简单、容易实现，适用于工业过程控制领域。本文 使用的仿真平台是在m a t l a b 软件中的m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境下， 采用有限状态机建模方法建立的。 本课题的创新点在于：仿真平台的建立使我们可以在它上面进行 系统方案的设计和仿真，在不依赖于硬件的情况下加快工程开发速度； 控制算法的提出有利于扩展某些现场总线技术的应用范围，克服了它 们不适于过程自动化实时要求的缺点，使它们各自的优点得以充分发 挥。 关键词：现场总线，控制系统，通讯滞后，时变性，s m i t h 预估控制， 仿真 此京化丁人学坝i 学位论义 r e s e a r c ho nc o n t r o la l g o r i t h mf o rf i e l d b u sw i t h v a r y i n gc o m m u n i c a t i o nd e l a y a b s t r a c t w i t ht h ei n t r o d u c t i o no ff i e l d b u st e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt i m e d e l a yw a sb r o u g h ti n t ot h ec o n t r o ls y s t e m a n dt h i sk i n do f t i m ed e l a yw a s t i m e - v a r y i n ga n du n p r e d i c t a b l e ，w h i c hm a d et h e c o n t r o ls y s t e mm o r e u n s t a b l e ，a n ds o m et h e o r i e sc a n tb eu s e dd i r e c t l y s ot h er e s e a r c ho n c o n t r o l a l g o r i t h m f o rf i e l d b u sc o n t r o l s y s t e m w i t h t i m e v a r y i n g c o m m u n i c a t i o nd e l a yp o s s e s s e db o t ht h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e lt h et i m e - d e l a yc h a r a c t e r i s t i co ff fa n dc a nc o n t r o l s y s t e mi sa n a l y z e d b yc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f s o m ep o p u l a r a l g o r i t h m s ，a n i m p r o v e ds m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o l l e ri s p r e s e n t e d t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sd e m o n s t r a t e do hf ls i m u l a t i o n p l a t f o r m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m p r o v e ds m i t hp r e d i c t i v e c o n t r o l l e rc a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ef i e l d b u sc o m m u n i c a t i o nd e l a y , a n d i ss i m p l ee n o u g ht ob ei m p l e m e n t e df o rt h ec o m m o ni n d u s t r i a lp r o c e s s t h es i m u l a t i o np l a t f o r mu s e da b o v ei s m o d e l i n gb a s e do nt h ef i n i t es t a t e m a c h i n ea n df i e l d b u sp r o t o c o l s ，a n di s d e v e l o p e di nm a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n t t h ed e v e l o p e ds i m u l a t i o np l a t f o r mm a k e st h ef i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m 北京化t 人学硕i 学位论殳 d e s i g n i n ge a s i e ra n df a s t e r ，a n dt h ei m p r o v e dc o n t r o la l g o r i t h mm a k e s s o m ef i e l d b u sm o r ea d a p t a b l et or e a l t i m ew o r k p l a c e k e y w o r d s ：f i e l d b u s ，c o n t r o ls y s t e m ，c o m m u n i c a t i o nt i m ed e l a y , t i m e v a r y i n g ，s m i t hp r e d i c t i v ec o n t r o l ，s i m u l a t i o n 北京化工大学 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，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 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。 学位论文作者签名：烈联 如年f 月7 日 符号说明 f c sf i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，现场总线控制系统 f f f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会现场总线 h 1 f f 低速现场总线标准 h s e h i 曲s p e e de t h e n r e t ，高速以太网 i s oi n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ，国际标准化纽织 o s i o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ，开放系统互连 c a nc o n t r o la r e an e t w o r k ，控制局域删络 d l l d a t al i n kl a y e r ，数据链路层 l l c l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，逻辑链路控制子层 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 媒体访问摔制子层 d d l d e v i c ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，设笛描述语吉 f s mf i n i t es t a t em a c h i n e ，有限状态机 f a s f i o l d b u s a c c e s ss u b l a y e r ，现场总线访问子层 f m s f i e l d b u sm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ，总线报文规范层 a p a p p l i c a t i o np r o c e s s ，应用进稗 v c rv i r t u a lc o m m u n i c a t i o nr e l a t i o n s h i p ，虚拟通信关系 l a sl i n ka c t i v es c h e d u l e r ，链路活动调度器 d a t al i n kp r o t o c o ld a t au n i t ，数据链路协议数据单元 c o m p e ld a t a ，强制数据 s c h e d u l et a b l e ，调度表 d i s c o n n e c tc o n n e c t i o n ，断开连接 d a t a ，数据帧 c y c l er e s i d u ec o d e 循环冗余码 应答场 d a t al o n g t hc o d e ，数据长度码 采样周期 p i d 算法的比例常数 p i d 算法的积分常数 p i d 算法的微分常数 s e tp o i n t ，给定值 a n a l o gi n p u t ，模拟输入 a n a l o gi n p u t ，模拟输入 唧盯盹肌嗽雠ni=w e ；舢 m j 匕京化t 人学倾l 学位论文 a o p f c a n a l o go u t p u t ，模拟输出 p r e d i c t i o nf u n c t i o nc o n t r o l ，预测函数控制 2 北京化丁大学碳 j 学位论文 第一章概述 1 1课题研究背景及方法综述 随着f 1 益分散的测控任务和越来越多的智能设备的使用，现场总线技术以其 特有的优点在很多领域得到了应用。但在总线技术的应用过程中也出现了一些新 问题，如在工业过程自动化控制领域，总线的时变通讯滞后列控制质量的影响已 经引起了越来越多的关注。 从控制角度看，闭环纯滞后的存在是导致系统不稳定的一个重要因素。它将 会使被控变量真实值的变化情况不能被及时反映，控制作用不能及时到达，造成 系统不稳定、产生较大的超调和振荡【1 。而且作为一种非线性特性，纯滞后的存 在使开环系统的相位滞后增大，从而必然使闭环系统的振幅和相位减小，造成闭 环系统的动态质量下降。回路时滞与被控对象时间常数的比值越大，对控制性能 的影响越大，控制难度也就越大【引。在现场总线控制系统中，设备闽的数据传输是 通过总线完成的，出于总线仲裁及通信都需要一定的时间，这就不可避免地为控 制回路带来一定的通讯滞后，而且通常这种通讯滞后是时变的、不可预测的【3 】。 近年来有很多专家学者对网络传输延迟的特性、影响及克服方法进行了研究： 文献 4 】提出了一种增广对象模型，利用系统当前状态以及延迟输出、延迟控 制信息构成一新的状态向量，这样就把延迟信息包含在新的增广对象里面，然后 通过对该增广对象的分析来进行控制器的分析和设计。但由于每步的延迟信息 不知道且时变，因此上述增广对象为一时变对象，目前还没有有效的工具对该类 对象进行确定性设计，只能对其进行一些定性分析。 文献【5 提出了一种状态估计的方法，从统计的观点对获得的信息进行分析和 处理，但其最大延迟时间限制为一个采样周期，且延迟时间的概率特性必须能够 准确获得，因此该方法在实际应用中具有较大的局限性。 文献 6 、 7 、 8 】从随机控制和动态规划的角度对具有延迟的网络控制系统进 行了分析和设计，由于涉及到时延的统计特性，因此同文献 5 】中样，首先事先 必须知道时延的概率特性，而要做到这一点是比较困难的。而且由于涉及到大量 北京化1 人学颤f 学位论文 均值、方差等运算，因此运算量较大。 根据以上几种控制算法的介绍，我们可以看m 它们都还只是初步的构想，还 有很多不完善的地方。 此外，还有几种经常被讨论和仿真的、用于克服纯滞后的控制算法，这些算 法包括：传统p i d 算法【9 1 、自适应控制”1 、s m i t h 预估控制【9 、预测p i ( d a h l i n ) 控制算法、内模p i d 算法3 1 、模糊控制 9 1 、逆模型【1 5 1 、预测函数控制p f c ( 1 6 , 1 7 , 18 】、 状态预估和状态反馈盼2 、白适应神经元，以及将以上几种算法( 两种或两种 以上) 组合起来的复合算法 9 , 15 , 1 6 , 2 2 , 1 4 , 2 3 , 1 2 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 , 2 8 , 2 9 】。 在本文4 1 中对这些算法进行了分析及优缺点的比较，并在4 2 中重点分析和 比较了s m i t h 预估控制和状态预估控制两种算法。最后选择s m i t h 预估算法作为仿 真对象，并针对总线时滞的特点作了几种改进。这是因为相对于其他算法，s m i t l l 算法计算量最少，更为简单实用。 1 2 课题的研究内容及意义 在对实时性要求很高的工业过程自动化控制领域，总线通讯滞后( 如采样和 控制信号的通讯滞后) 的存在必然会在一定程度上影响过程控制的性能。当它对 控制性能的影响不能忽略时，它的不确定性和非线性将使许多常规的控制方法及 补偿方法不能直接使用。因此我们迫切需要一种实用且有效的控制算法来克服现 场总线的时变通讯滞后对控制性能的影响。 虽然目前针对过程时滞有很多不同的解决方案，其中也有很多是针对网络通 讯延迟的，但由于总线通讯延迟的许多特殊性( 如时变性和随机性等) ，以及总线 设备的特点，大多数方法并不能直接使用。本课题的目的是研究一种适用于现场 总线设备的、可有效补偿总线时变通讯滞后的控制算法。 为此，本课题的研究内容包括：采用有限状态机的方法，以m a t l a b 的 s i m u l i n k 和s t a t e f l o w 为工具，建立了一个较为完善的c a n 总线控制系统仿真平台 ( 包括通信部分和控制回路部分) ，并对已有的f f 总线控制系统仿真平台进行了 改进；在相应仿真平台上，分别分析了f f 总线和c a n 总线控制系统的时滞特性； 研究和对比了国内外几种流行的时滞补偿算法的优缺点；针对时变延迟较为明显 4 北京化t 人学 t 挺卜学位沦史 的c a n 总线控制系统设计了几种改进的s m i t h 预估算法；最后在仿真平台上对改 进的算法进行了验汪和性能评估。 本课题的意义在于：仿真平台的建立使我们可以在它上面进行各种算法的验 证，进行系统方案的设计和仿真，在1 i 依赖于硬件的情况下加快工程丌发速度， 提高工程质量；控制算法的提出有利于扩展某些现场总线技术的应用范围，克服 了它们不适于过程自动化实时要求的缺点，使它们各自的优点得以充分发挥。 1 3 采用的仿真工具及评估手段 1 3 1 仿真平台的功能及结构 本课题共用到了两个仿真平台f f 总线控制系统仿真平台和c a n 总线控制 系统仿真平台，在这两个平台上可以对各种控制算法和通信方式进行仿真和性能 评估，极大地提高了谋题研究的灵活性和效率。 两个平台分别遵循了f f 协议和c a n 协议，全面实现了形式化模型的动态仿 真，可以直接观察到总线系统通信行为和控制行为在回路各环节的运行；通过设 置仿真平台上的通信及采样参数，修改平台上的控制算法，可以方便地得到仿真 数据，如控制响应曲线和各种通信性能指标。然后用编写好的m 函数文件对获得 的仿真数据进行处理，从而得到不同情况下的通信性能指标( 平均等待时间、数 据丢失率等) 和控制性能指标( 峰值时间、回复时间、超调量等) 。 两个平台的框架基本相似，都分为两部分：过程控制对象模块、总线设备及 通信调度模块，如图1 1 。其中，过程对象采用工业过程典型近似形式一一阶惯 性加纯滞后对象，总线设备包括若干个节点( 每个节点包括通信活动和计算活动 两种活动，并根据总线协议的不同而不同) ，通信调度模型是分别根据f f 和c a n 的介质访问控制方式建立的。每个模型内部根据需要采用并行和分层结构定义了 若干个子模型，洋见第章。 北京化t 人学坝i 学位论文 图1 - 1 模块化的总线控制系统仿真平台 1 3 2 仿真平台的实现方法 为了降低工程费用，方便控制系统的开发和调试，许多学者和工程师已经为 传统的控制系统提供了大量的仿真和优化的方法和工具。现场总线控制系统的仿 真同样也需要辅助工具的支持。 首先，本文采用有限状念机形式化建模的方法，建立了若干个总线通信协议的 状态机模型。因为相对于其他流行的形式化描述方法( 如p e t r i 网) ，该方法更简 单、直观且易理解，更适于描述现场总线这种本来并不是很复杂的协议关系。而 且在m a t l a b 的s i m u l i n k 模块库中有十分符合这种机理的s t a t e f l o w 工具箱，较易 于实现。本文在建模过程中选取模型状念时，不完全同于有限状态机的定义，而 是对“状态”的概念进行了扩展，即将某一“过程”看作广义的“状态”，这种方 法扩展了模型，分散了“变迁”，更详细的描述了协议。这种建模方法也是针刈本 文采用的仿真工具而做的适当改变，使仿真模块易于和协议模型相对应。通过 建立这些模型，一方面可以有助于人们对总线协议的理解，冈为模型较为直观， 对协议中的行为描述得具有逻辑性：另一方面有助于实现协议，无论是通过语言 软件编程实现还是通过形式化仿真软件建模实现都较为容易。 目前，针对有限状态机模型的仿真工具很少，而不仅能够完成仿真，还能有强 大的计算后台支持的仿真工具更少，就这点来说，m a t l a b s i m u l i n “s t a t e f l o w 仿 6 真工具箱是很好的选择。 m a t l a b 中的s i m u l i n k 是一个进行动念系统建模、仿真和综合分析的集成软 件包。在s i m u l i n k 提供的图形j j 户界断g u l 上，只要进行鼠标的简单拖拉操作就 可以构造出复杂的仿真模型。它外表以方块图形式旱现，采用分层结构。从分析 研究角度讲，这种s i m u l i n k 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节，而且能 让用户清晰的了解各器件、各了系统蒯的信息交换，掌握各部分之间的交互影响。 在s i m u l i n k 环境中，用户可以在仿真进程中改变感兴趣的参数，实时观察系统行 为的变化。仿真模型运行后，可以通过使用s c o p e s 、d i s p l a y 等显示模块观察实时 仿真输出，通过t o w o r k s a p c e 、t o f i l e 等模块获取仿真数据。然后用m a f l a b 中的 m 函数等对数据进行分析和处理。 s t a t e f l o w 是s i m u l i n k 中的一个仿真工具箱，它采用图形化表示方法来实现对 有限状态机模型的表达，其基本的结构单元为s t a t e 和t r a n s i t i o n 。s t a t e f l o w 产生的 模块可以接入到m a t l a b 提供的s i m u l i n k 环境中。这个建模工具的特色之处在于， 它能提供层次化、并行处理以及历史记忆等特殊的功能。通过定义一系列的母系 统和子系统，可以很清晰地描述非常复杂的问题。并行处理使得相同对象的不同 功能部件可以在同样的时问内处于激活状态，这符合很多研究对象的实际情况。 历史记忆功能可以使得s t a t e f l o w 可以仿真很多具有记忆部件的系统。 3 3 1 基于以上原因，在形式化模型的基础上，我们选择了在m a t l a b s i m u l i n k 仿 真环境中建立相应的总线控制系统仿真平台。具体的建模过程及参数设置详见第 二章。 北京化t 人学倾i j 学位论文 第二章总线控制系统仿真平台的建立 在控制系统设计和性能评价方面，由于仿真方法具有成本低、结构改变容易、 易于数据处理等特点，仿真方法成为一种主要的研究方法。本章在总线协议状态 模型的基础上，借助于m a t l a b 软件中的m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境和s i m u l i n k 及s t a t e f l o w 工具箱，针对本课题的研究日的，对已有的f f 总线控制系统仿真平台 进行了改进，并建立了c a n 总线控制系统仿真平台。本课题中对总线时滞特性的 分析、对改进的算法的验证和评估都是在这两个仿真平台上进行的。 总线活动分为两种：一种是通信活动，即各个现场设备问交换信息的行为； 另一种是计算活动，每一个现场设备模块都由通信部分和控制计算部分组成。这 两种活动互相为对方提供服务，协调工作。仿真平台中主要实现了这两种活动， 每一个现场设备模块都由通信部分和控制计算部分组成。仿真平台采取了分层结 构，即母模块和子模块的等级结构。另外，由于总线控制系统中的通信活动存在 并行行为，例如+ 个没备输出信息的同时，接收信息的设备必然在进行输入活动。 为了仿真此种并行行为仿真平台中有些同级模块采用了并行结构。 2 1f f 总线控制系统仿真平台的建立 为了分析f f 总线控制系统的时滞特性，我们对已有的f f 仿真平台【3 0 进行了 扩展和补充。该仿真平台采用总线结构，包括三个现场设备模块和一个总线设备 模块。三个现场没备分别实现变送器、控制器和执行器功能，如图2 1 所示。 仿真解算器采用定步长形式o d e 4 ，仿真步长o 0 0 1 s ，仿真时间5 0 s 。每个现场 设备模块包括三个部分：链路活动调度子模块l a s 、通信部分子模块和计算部分 子模块( 如控制器中的p i d 计算模块) 。通过设定每个1 发备的输入参数l ，决定l a s 在哪个设备中被激活。 此京化t 人学坝i j 学位论文 图2 1f f 总线控制系统仿真平台上层结构 由于每个设备模块的结构都是相似的，下面以变送器t r a n s m i t t e r 为例，介绍本 文对各模块所作的改进。t r a n s m i t t e r 子系统的外观如图2 2 所示。 t o w o m a n l 4 图2 - 2t r a n s m i t t e r 子系统外观 在t r a n s m i t t e r 子系统中，通过使用输入输m 模块实现了与其他子系统的动态连 接，通过使用信源模块可方便的调节输入参数，通过使用信宿模块可动态观测并 9 北京化丁大学坝f 学位论立 获得仿真数据。各输入输出参数含义如下： 输入量：t i n当前在总线上传输的帧，为数组形式 b u s s t a t e 总线的状态标志，有0 和1 两个逻辑值 c d t i m e个调度周期内的c d 发布时间表 m a c r o c y c l e 调度周期 s a m d a t a采样信号( 经过采样、零阶保持和低通滤波的信号处理) c d f f a m e 不同c d 的目的地址和源地址，数组 l启动l a s 的逻辑值 m t h a 不同目的节点的令牌的可持有时间 0 0 6 ，0 0 6 ，0 0 6 1 i n p u t l 、2 随即生成的不同优先级的非周期数掘 t f 非周期数据产生的时间间隔 在这些输入量中，除了t i n 、s a m d a t a 、b u s d a t a 是与其他子系统的接口外，都是可 调参数，可灵活方便地实现对总线通信参数的调整。 输出量：t s t a t e变送器的状态标志，0 ，1 或2 s p t c p p t 循环时间标准( 当a p t c p 小于它时，说明优先级太高) a p t c p 实际的p t 循环时间 t d e l a y 优先级分别为1 、2 的非周期数据的延迟时间 s u m l 、3 优先级分别为1 、2 的非周期数据被发送的个数 s u m 2 、4 优先级分别为1 、2 的非周期数据被丢弃的个数 利用m a t l a b 强大的数学分析功能，可以很容易的对这些输出的仿真数据进行 分析，获得不同仿真设置下系统的通信性能指标。 1 、对l a s 子模块所作的改进如图2 3 所示。 仿真平台中的l a s 依掘调度表按时在一个调度周期内对c d 帧进行调度( 包 括由传感器发送给控制器的采样c d 帧、由控制器至执行器的控制c d 帧和由执行 器发送给控制器的c d 帧) 。p t 在三个设备问传递，在c d 传输的间隙调动非周期 数掘帧的发送。当l a s 每一次收到r t 帧都要再次判断剩余时间是否足够再发起 一次非周期数据的传输，如不够则转到c d 部分等待发送下一个强制数据。通过对 s p t c p 和a p t c p 的不断比较，可实现对总线非周期数据流量的动态调整。另外， 函数c h o o s e 用来完成对时间的判断：函数c o m p u t e p 用来实现优先级的动态调整。 北京化丁人学坝i 学位论殳 二。l 帛稠。 9 “”甲队i n p t 。 l _ j 瞽鞫： (一 副叫， lpt=| 芒主= 豪焉j | 图2 3 改进屙l a s 子模块 修改后的l a s 子模块，调整了原来c d 和p t 发布中一些不合理的地方( 如在 每个调度周期的第一个c d 发布之前，没有对可否发布p t 进行验证) ，并通过使 用循环语句使得对调度表和总线负载的变更更加灵活。当被调动任务有所增加时， 无须增删模块结构，只要改变相应参数即可。 2 、对通信部分模块所作的改进如图2 - 4 所示。 ，一一 + c o m m u n l c m i o n i | | 一j | j 泽j 北京化t 人学坝l 学位论义 c o ms e n d 和三个丰要部分，三者是并行的。当总线卜有信息传输，即总线状态 b u s s t a t e 改变时，节点状态便转移到“r e c e i v e f r a m e ”状态，开始接收数据帧。然 后，节点过滤此帧，如数据足自己预定的则接收并告知节点，否则丢弃不管。 本仿真只考虑了f f 总线系统中主要的五类帧：强制数据帧、设备收到强制数 据后发送的数据帧、令牌帧、设备收到令牌后发送的数据帧、返回令牌帧。收到 强制数据后，节点组装数据帧并发送。收到令牌后，如果有非周期数据需要发送， 则组装帧并发送，否则矗接进入返回令牌状态“r e t u r np t ”。当发送完毕或令牌持 有时间结束，则进入“r e t u r np t ”，返回令牌给l a s 。修改后的通信子模块简化 了其中不必要的部分，使系统的运行更加顺畅。 3 、对模数转换部分模块所作的改进如图2 - 5 所示。这里考虑了采样周期和数模转 换所需要的时问，使模块的状态流程更加符合实际采样进程。 雏竺墼：釜茹霉| ；r 一 i | 。豢盟l 、| 、。：= _ = _ = _ = = = = = = = = = = = = = = = = = _ = _ = = = = = ：= 东：， 仿真平台中的另两个现场设备子系统中，l a s 子模块和通信部分模块与上述基 本相同。c o n t r o l l e r 模块中的计算部分模块实现对被控变量的p i d 运算。a c t u a t o r 模 块中的计算部分模块实现控制信号的输出。通过对整个控制系统控制响应曲线的 分析和处理，可实现对不同仿真下系统控制性能的评估。 2 2 c a n 总线控制系统仿真平台的建立 c a n 属于总线式串行通信网络，以多主方式工作，通信速率最高可达 1 m b p s 4 0 m 。可挂接设备数最多可达1 1 0 个。它的物理层和数据链路层采用了许 多独特的设计，在数据通信方面具有突出的可靠性、实时性和灵活性。c a n 总线 系统组成如图2 - 6 。它通过相应的c a n 接口连接现场设备构成低成本网络。直接 连接不仅提供了设备级故障诊断方法，而日提高了通信效率和设备的互换性。 北京化1 人学坝l 学位论文 显_ i 器ip l c li 变频器 终端匹配器 li 终端匹配器 l 传感器li 阀f 1 il 数i 0l j 模拟i 0 l 剀2 - 6c a n 总线控制系统示意图 在认真总结了c a n 总线技术规范的基础上，我们采用有限状态机的方法，分 别从不同角度对其进行了形式化建模；并根据这些模型，在m a t l a b s i m u l i n k 仿 真环境中，用s i m u l i n k 和s t a t e f l o w 丁具箱中的模块建立了一个c a n 总线控制系 统仿真平台。 2 2 1 对c a n 总线通信协议的建模 c a n 总线具有独特的仲裁机制：当总线开放时，任何连接的单元均可丌始发 送报文，若同时有多个节点发送，总线访问冲突运用逐位仲裁规则，借助标识符 i d 解决。具有不同标识符的两帧中，较高优先权的标识符具有较低的二进制数值。 总线可具有两种逻辑状态：显性或隐性，分别表示逻辑0 和1 。当在总线上 同时出现显性和隐性位时，总线数值为显性。这样实现了类似于“线与”的功能。 基于这种仲裁机制，总线上报文传送步骤如下：任意一个节点在检测到总线 空闲( 连续7 个隐位) 后，就可以发送数据，进入发送状态，首先发送的是一个 帧起始位，作为总线上的其他所有节点收发数据的同步信号，其他节点也可以同 时发送数据。当许多节点一起开始发送时，此时只有发送具有最高优先权帧的节 点拥有链路访问权。在发送仲裁场期间，节点每发送一位数据，同时检测总线状 态，如果检测到的状态与发送的数据位一致，则继续发送下一位数据。如果发送 的是隐位，而检测到的是显位时，表明总线上有更高优先级的信息帧，则自动退 出发送，转入接收状态，等待下一次总线空闲时再发送数据。当送出“显性”电 平，而监测到“隐性”电平时，表明节点检测出位错误。 当总线上有帧发送时，其它站点会同步接收此帧，然后通过报文滤波来决定是 否读取数据。c a n 2 0 b 对报文滤波特别加以描述，报文滤波以整个标识符为基准。 屏蔽寄存器可用于选择一组标识符，以便映像至接收缓存器中，屏蔽寄存器每一 位都需是可编程的。它的长度可以是整个标识符，也可以仅是其中一部分。 北京化下人学琐i ，学位玲立 另外，c a n 总线解决冲突还有下列原则：每条信息有唯的标识符；具有一 定标识符和非零d l c 的数据帧仅可由一个节点启动；远程帧中的d l c 为全系统 内确定，避免出现具有相同标识符和不同d l c 的远程帧同时发送。 根据上文可以看出，c a n 总线上的通信活动可分为发送、接收和错误三种状 态。我们用有限状态机的方法对总线通信中的发送和接收活动进行了建模，分别 是c a n 节点发送模型和c a n 节点接收模型。具体的模型及描述如下： 1 、c a n 节点发送模型 在c a n 节点的发送模型中，详细描述了c a n 节点发送各种报文的过程，如 图2 7 所示。 i 监测到的位与发送位不一致 i i 监测到的位与发送位一致 i i l 临测到6 个连续相同位 i v 错议激活 v 错误认n r v i 要延迟发送下一帧 v i i 发送远程帧 v l l l 出现非法位 i x 来检测到挂位 x 有报文要发送总线卒州 图2 7c a n 节点发送状态模型 根据c a n 的数据帧结构，该模型选取了数据帧的不同发送阶段作为状态，另 外还有发送出错帧和超载帧的状态及相应的5 种错误状态，共1 5 种状念。如表2 1 所示： 4 北京化t 人学顺l 学位论正 表2 - lc a n 肖点发送状态模! 状态说踞 编号状态描述 1 c a ni y 点处丁空闲等待状态 2 书点处丁发送帧起始侮状态 一 3 ”点处丁发送仲裁场状态 4 节点处丁_ 发送控制场状态 5 节点处于发送数据场状态 6 节点处丁发送c r c 场状态 一 7 仃点处r 发送a c k 场状态 8 节点处丁发送帧结求状态 9 节点处于发生位错误状态 1 0 节点处于发生填充错误状态 n 节点处丁发生f 赶答错误状态 1 2 节点处于发生形式错误状态 1 3 节点处丁- 发送超载标志状态 1 4 节点处于发送活动错误标志状态 1 5 侈点处丁发送认可错谡标志状态 状态模型的活动如下：当c a n 节点有发送报文的淆求时，首先监视总线的通 信状况。总线一空闲，马上开始发送。其它节点会在帧起始的前沿进行同步。在 发送帧起始位期间，节点进行位错误的检测。如果检测到总线上为隐位，而不是 发出的显位，则表明发生位错误，节点马上停止发送报文，转而发送错误标志。 如果不发生位错误，则继续发送仲裁场。仲裁过程可参照4 ，1 2 。其后依次发送控 制场、数据场、c r c 场，同时进行位错误和填充错误检测，方法同上。在节点发 送a c k 场期间，节点要进行位错误检测，但不在检测填充错误，转而检测形式错 误。因为在c a n 报文中，a c k 场和帧结束部分为固定形式，小进行位填充。出 现位错误和形式错误后，节点同样结束发送帧，开始发送错误标志。最后，节点 发送帧结束。同样在发送期间，节点会进行位错误和形式错误检测。如果节点到 发送完帧结束，没有任何错误发生，则发送成功，节点回到空闲等待状态或应节 点要求开始发送超载标志。 2 、c a n 节点接收模型 该模型详细地描述了c a n 节点接收报文的过程，如图2 8 所示。 ! ! 塞些! 叁兰塑l ：堂垡堡苎 l 监测到的位与发送位小敏v i 璺延迟发送下。帧 i i 监测到的位与发送位一致v i i 接收远程帧 l i l 岭测到6 个连续相同位v i i i 现非法位 i v 错误激活i x 来榆测到娃位 v错误认叫x1 f 奉站需要的数据 x l 有报义在发送 图2 - 8c a n 节点接收状态模型 c a n 节点的接收模型同样根据c a n 报文帧的组成结构选取了不同接收阶段 作为状态。不同的是，增加了一个c r c 错误状态。共设定了1 6 种状态，如表2 2 所示： 表2 - 2c a n 节点接收状态模型状态说明 编号状态描述 1 空闲等待状态 2 接收i 帧起始何状态 3接收仲裁场状态 4 接收控制场状态 5 接收数据场状态 6接收c r c 场状态 7 接收a c k 场状态 8 接收帧结束状态 6 北京化t 人学倾l j 学位论文 9 发生位错误状态 1 0发生填充错误状态 1 1 发生c r c 错误状态 1 2 发生应答错误状态 1 3 发生形式错误状态 1 4 发送活动错误标志状态 1 5 发送认可错误标志状态 1 6发送超载标志状态 除了接收c r c 场，c a n 节点接收过程和错误检测与发送过程基本相同，处理 方法也相同。c a n 节点接收c r c 场期间，与发送过程不同，要进行c r c 错误检 查，即将接收节点计算出的c r c 序列与接收帧中的c r c 序列进行对比，如有出 入，则出现c r c 错误，节点遂停止接收，并发送错误标志。 2 2 2 具体实现方法及参数说明 对应于图1 1 的框架，在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立了c a n 总线控制系统仿 真平台，如图2 - 9 所示。 图2 - 9c a n 总线控制系统仿真平台i ：层结构 该平台分为两部分：过程控制对象模块t r a n s f e rf i m c t i o n 、设备及通信调度子 系统c a ns y s t e m 。每个模块内部根据需要采用并行和分层结构定义了若干个子模 块。解算器采用定步长形式o d e 4 ，仿真步长o 0 0 1 s ，仿真时间5 0 s 。c a ns v s t e r n 子系统分为四层，下面按层次依次介绍每个模块的实现及配置： 1 、在图2 - 9 的上层结构中： ( 1 ) 过程对象采用一阶惯性环节，用s i m u l i n k 库中的t r a n s f e rf u n e t i o n 控件实现。 北京化t 人学坝1 。学位论文 , i j 双击标准模块，在对话框巾的分子、分母栏中填写所需的系数。 ( 2 ) s c o d e 模块为s i m u l i n k 库中的示波器，可实时显示控制信号及控制响应曲线。 ( 3 ) t ow o r k s p a c e 模块为s i m u l i n k 库中的输出存储模块，可将控制响应数据和时问 数据存放到m a t l a b 工作空问以待分析。 2 、c a ns y s t e m 子系统的结构如图2 1 0 所示。包括信号处理环节、输入输出模块 和d e v i c es c h e d u l e 模块。 ( 1 ) 信号处理环节，负责将连续的过程响应曲线离散化，包括三个拧件： z e r o o r d e rh o l d 为零阶保持模块，用于时过程响应曲线采样，并将采样信号保持 一个采样周期0 0 0 1 s ； d i s c r e t ef i l t e r 为离散传递函数，用于对采样信号低通滤波； u n i td e l a y 用于将采样信号延迟一个积分步长0 0 0 1 s + a o 匡亘 匡虱 蝴三习 刊e 三三虱 。d 1 4 t a y l 匠三三虱 卅重三三虱。 1 口r + 厂i _ _ o 一 毁 l 匡 + r a n d o m 匡 业坐l _ - “叵 匹 j ! 噬o “匦乎+ 匡 ! 型+ “8 口墅二卜 h r w n j # i o nf t 1 0o 0 1 0 ao 0 10 50 1 】卜_ + 5 t h dp e d o d 三二卜+ b 一 l 叫亓 t s i 刊 堕二卜+ 吨曰l k o 2 亚= 卜+ “巴些女! l j t l 匡虱 耍二卜+ w t d b 2芒竺珂 ! = - _ ；d 田阳。k 图2 1 0c a ns y s t e m 子系统的结构 ( 2 ) 输入输出模块及对应参数： s a m p l e 和a o 为输入输出控件，用于实现与过程对象的动念连接。 a i 为经过信号处理的采样数据。 其他输入模块为信源控件，可方便的调节输入参数，各信源控件及参数含义如下 c l o c k 为时钟控件，产生一个时间变量t 作为整个模型的时间基准，用于d e v i c e 北京化丁人学坝1 学位论正 s c h e d u l e 模块中的时间触发； r a n d o mn u m b e r 控件产生l 8 内的随机数据i n 3 i n 4 ，取整后为节点3 8 所发送数据 帧的数据场长度，使数据场的k = 度在1 8 个宁节上平均分布； 由c o n s t a n t 控件输入的参数v 、t 、t s 、k c 、t i 、t d 、s p 分别为总线传输的位速率、 每个节点的数据产生周期、采样周期、p i d 算法的比例常数和时间常数、控制回路 设定值，这些参数均可通过双击该模块进行输入参数的改变； 其他输出模块为信宿控件，通过使用信宿控件可动态观测并获得仿真数据。其中 d i s p l a y 模块为数值显示器，可通过窗口动态显示输出数据。s c o p e 和t ow o r k p l a c e 控件之前已作过介绍。 输出参数含义如下： f z 所有节点产生的所有数据帧的总长度 t h o u t 所有节点发送的所有数据帧的总长度 p 所有节点产生的数据帧的总个数 b 所有节点发送的数据帧的总个数 t s v 控制周期 w t l 2 分别为变送器和控制器的等待时间 p l 2 分别为变送器和控制器产生的数据帧的总个数 b l 2 分别为变送器和控制器发送的数据帧的总个数 ( 3 ) d e v i c e s c h e d u l e 模块是在s t a t e f l o w 环境中建立的，参数由s i m u l i n k 环境输入， 同时一些模块参数也可输出到s i m u l i n k 环境。包括8 个c a n 节点模块和一个总线 仲裁模块。 c a n 节点模块如图2 - 1 i 所示，包括变送器、控制器、执行器及其他5 个节点。 每个节点都有固定的优先级。对前3 个节点采用如下假设。1 ) 时间驱动传感器的 采样2 ) 事件驱动控制器3 ) 事件驱动执行器。其余节点都以固定的周期产生要传输 的数据( 长度随机产生) 。每个节点模块均包括三部分：通信处理器c o m m u n i c a f i o n 、 接收缓存器r e c e i v e b u f f e r 、发送缓存器s e n d b u f f e r 。下面以控制器模块c o n t r o l l e r 为例，介绍各模块的结构和功能： 通信处理器c o m m u n i