网络化控制系统的协同设计与形式化建模_图文

1、 计 算 机 集 成制 造 系 统 第 卷 对 ， 控制 器局部 网 （ 定为 （ 网络传输 时延与接收缓 冲区 队列 长度 成正 比， 如果取 一 ， 则经确定化后三轴 ） 。 由于受控对 象传递 函数 中包含积分 环节 ， 又 考虑 到位 置控 制器 节点运 算 能力 有 限 ， 参 考 文 献 ， 采 用 了一种 改进的二 自由度 预估 控制器 ， 单 轴 的 ， ） 和局 部操作 网络 （ ， ） 三 种 总线 网 络 的分 布 范 围 、 子 网节 点 数、 数 据 帧 长度 、 网络 带 宽等 静 态 指 标 进行 图 表对 比 分 析 ， 可 知这里 采用 总 线 网 络 较 为

2、 合适 。 控 制结 构如图 所示 。利用混沌 模拟退火 优化算 法 ， 可 以得到该控制器优化参 数 忌 ， 是 ， 是 ， 。本例 中 求得 ： 两轴 控 制 器 参数 为 志 一 ， 忌 一 （ ） 动 态 子 映 射 。 可 以采 用 解 析 分 析法 ： ） 单发送缓 冲区时 ， 网络 传输时延 ， 志 ， 一 ； 轴 控制 器 参数 为 一 ， 愚 ： ： ， 忌 ； 一 ， 一 。 去 。 （ × ） （ ） 。 一 式中 ： 为 当前 节点 数 据帧 字 节数 ， 为 比当前 节 点通讯优先 级 高 的节 点集 合 ， 为 相应 高优 先 级 节 点 的数据 帧 字节

3、 数 ， 为 网络 的传 输 速率 ， ， 。 ） 当满足条件 （ × ） × 厂 时， 可 以保 证 没 有 数 据 帧 丢 失 。式 中 ： ， 为 网 络 中所 有 图 采 用二 自由度 预 估器 的单 轴结构 图 基于 的 子 模 型 建 立 节点 的集合 ， 为节 点 数 据 帧 的字节 数 （ ） ， 厂 为 节 点 的采 样 或 控 制 频 率 ， 为 网络 传 输 速率 。 通过上述 网络 子模 型 和 控制 子 模 型 ， 可 以进一 步描述系统 的结构化需求 为： 该数 ） 网络 数据帧 最大 为 个有 效 字节 ， 基本 可满足 该系统 中控制 信息

4、的需求 ， 无需分 帧传 输 。 ） 通讯优 先级 分 配 ， 即 手工 紧 急操 作 具 有最 高 优先级 ， 机 对 于 各 位 置 控 制 器 发 送 的操 作 指 令 控 系统共 有 个 节点 ， 它们 分别是 三 轴各 自的 位移传感 节点 、 位 置控制节点 、 手工操 作 节点和监控 网络管理节点 。 除 了监控 网络 管理 节点 采用 机 处理器外 ， 其余 节 点均 为单 片机 （ 次之 ， 传 感与控 制器 周期信 息又次 之 ， 显示 监控 等信 息的优 先级最低 。 控 制子 模型 的建 立与分 析 ） （ 传感 节 点采用 ， 控 制节点 采用 ） 。共 有位 移传感

5、 节 点 、 控 制 驱 动 节点、 手工操 作 节点 、 监控 网管 节点 种类 型节 点 。 各 种类 型的节 点实 体分别 实 现不 同控 制和 网络 服 务 功能。位移传感节点完成位 置位移 的检测 、 网络通 讯 等功能 ； 控 制 驱 动 节点 实 现改 进 二 自由度 控 制算 法 、 电机 脉 冲宽 度 调制 （ ， ） 驱动 、 过 流 过 压 保 护 以及 网络 通 讯 等 功 能； 监控 节 点 则 实现 工 况实 时 显示 、 发 出工 序 指 （ ） 各轴位置控制 器均 输 出电压 信号 ， 驱 动伺 服 电动机进行位置控制 ； 三轴位移 和控 制 电压 传递 函数

6、均可表示为 （ ） 一 一 。对于 两轴 有 一 ， ； 对 于 轴有 一 ， 。 （ ） 确定传 感节 点的 采样 频率 如 下 ： 两 轴和 轴 开 环 截 止 频 率 分 别 为 和 ； 取 网络 传 输 速 率 为 。对 各 个 轴 向而 言， 采样 频率 的范 围是 。 令、 人机交互和 网络 服务管 理 等 ； 手 工操 作节 点 实现 点动 、 紧急停车 、 键 盘 和数 码 显示 等功 能 。对 于 本例 中的 表 示 图 ， 只 选取 了系统 高层 用 例图 、 静 态 结 构图 、 局部协助 图和状 态图来重点说 明。 本例选 取 三 轴采样频 率均 为 口 。 （ ） 位

7、置控制器算法设计如下 ： 考虑位置控制器与 基 于系统的总需求 和结构化需求 ， 绘制 该 数控钻床 的高层用例 图 ， 如图 所示 。对该 系统进 一 驱动执行部分 在同一节点 上实现 ， 只存在位移 传感和 控制节点之 间的 网络 传输时延 。若 三轴通 讯优 先级从低 到高 排列 ， 则由 节 公 式可 得 ， 和 。设置接 收缓 冲 区 一 ， 由 可知 三轴传 输时延 均 被确 步使用职责驱动方 法识别出对象类 ， 描述 出静态结 构（ 如图 ） ， 还可 由 和 州 提取各种 类 的属 性与 方 法 。图 中， 各种类 只列出了部分 主要 的属性 和方 法 。例如 ， 手工操 作节

8、 点必须 完成手 工 紧急停 车 、 点 第 期 彭 可 等 ： 网 络化 控 制 系统 的协 同设 计 与 形 式 化 建 模 研 究 系 统参 数保 存 圈 网络 化三 轴数 控钻 床 的高层 用 例图 网络化三轴数控钻床 机床部分 监 控 网管节 点 位 置值 ： 位 置值 刷 新 （ ） ： 三 轴控 制 ： 节点 芍 ： 手 工操 作 节点 静 态 动 态 协议： 添加 节 点 ： 删 除节 点 （ ） ： 通信 优先 级 ： 通信 延 时 ： 发送 ： 接收 （ ） ： ： 位 移传 感节 点 采 样周 期 ： 参数 ： 控制 驱动 节 点 位置查询： 二 自由度 预估 运算 ：

9、驱 动输 出 ： 接 收给 定值 ： 点 动控 制 （ ） ： 速 度控 制 ： 图 网络 化三 轴数 控钻 床 的 静 态 结构 图 计 算 机 集 成 制造 系统 第 卷 动输入 职责 ， 监控 节 点应 实 时 发 送 三轴 位 移 控 制指令 、 刷新状 态 显 示 等 。所 有 对 象 完成 功 能集 合 与它们 的属 性 集 合 的并 集 ， 应 包 含 需 求 分 析阶段 对 系统 总需求 的定义 ， 即（ ） 。 ， 否则说 明 当前 系统静 态结 构的分 析还不 足 以满 足设 计 目标 。 综 上所述 ， 通 过建 立 网 络 、 控制 、 结 构 实体 三 个 子 模型

10、， 已经设 计 出该 网络 化 数 控 系统 的形 式化 原 型， 为进 一步 的实 际开 发奠 定 了 良好基础 。 结 束 语 本 文针对 当前 仍 然没 有 一 套 成熟 设 计 与 建模 方法 的实 际情况 ， 探 讨 了 网络 化 控 制 系统 与 协 同设 计 及其 形 式 化 建模 方 法 ， 给出了网 在识 别 出上述对 象之后 ， 可 以绘制 对象协 作 图 ， 仍 以 轴为例 说 明 。如 图 所示 ， 是传 感 节 点 类 一个 实 例 ， 为控 制 驱 动 节 点 类 的实例 ， 和 分别 是手 工操 作 节点 类 和 监 控 网管 节 点 类 的实 例 。图 中， 收

11、到 或者 的新 坐标 值后 ， 会 将传感 节点 反馈 回来 的位 移值 与它们 进行 比较运 络、 控制 、 结 构实 体 三个 子 模 型 的定 义 ， 分 析 了三 者 的构成要 素 以及 相 互之 间 的 映射 关 系 ， 提 出了基 于 和 的协 同设 计 框 架 ， 研 究 了利 用 进行 系统 的结构 实体 子 模 型设 计 ， 并 通 过设 计 实 例 验证 了上述 方法 的可行 性 和有效性 。今后 进一 步的 算 。监 控节 点与传感 节点之 间还存 在显示 数据 刷新 的连接 ； 这种 显示更 新 可 由传 感 节 点周 期 性 自主发 研究 将 围绕提高 所 建立 结构

12、 实体 子模 型 的可 执行 性 和可验证 性 而展 开 ， 例 如 实 现 自动 化硬 件 设 计 和软件 编程 、 自动化 的约束 性验 证等 。 参 考文献 ： ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） 戴冠 中， 郑 送， 也可 由监控 节 点 主 动查 询 。其 他对 象 协 助 图也 可以类 似得 到 。 更 新位 置参数 ： 更新 位 置参数 （ ） 点动 ： ： 点动 应平 网络 化 系 统 及 其 建 模 、 分析 、 控制 与优化 自动 化 学 报， ， （ ） ： 。 ， ， ， ， （ ） ： （ ） 黎善斌 ， 王 智， 张卫 东 ， 等 网 络 控 制 系统 的 研

13、究 现 状 与展 望 信 息 与控 制 ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） 陈幼平， 陈 冰， 谢经 明 ， 等 网 络 化 控 制 系 统 的 科 学 问题 与应 用 展 望 控 制 与 决策 ， ， （ ） ： ， ， ， （ ）： ， ， （ ） ： ， 一 匝 驾 豳 ， ， （ ）： 卜 。 ， ， （ ）： ， ， ， （ ）： ， ， ， 第 期 彭 可 等 ： 网 络 化 控 制 系 统 的 协 同设 计 与形 式 化 建 模 研 究 （ ） ： （ ） 彭 晨 ， 岳 东 网络 环 境 下 基 于 ， ， （）： 网 络 的网 络 控 制 器 优 化

14、设 计 自动 化 学 报 ， ， （ ） 王 子君 ， 许 维胜 ， 王中杰 ， 等 网 络 控 制 （ ） ： ， 系统 传 输 模 型 和 服 务 质 量 的 研 究 与 仿 真 计 算 机 集 成 制 造 系统 ， ， （ ） ： 。 ， ， ， （ ） ： （ ） 康 军 ， 戴 冠 中 网 络 化 控制 系统 综 合 控 制 方 法 研 究 控制 与决 策， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： （ ） 白 涛， 吴智铭 ， 杨根科 网络 化 控 制 系统 带 宽 配 置 的 一 种 新 策 略 自动化 学 报 ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： （ ） 陈思功 ， 秦

15、 晓， 章 恒 中 基 于 的软 硬件 协 同设 计 的模 ： ， ： （ ） 彭 可 控制 网络系 统性能 分析 、 系 统 设 计 和 型分析方法 软件学报 ， ， （ ） ： ， ， ， 网络 互 连 的 研 究 与 应 用 长沙 ： 中南 大学 ， ： ， ， ， （ ） ： （ ） 彭 可 ， 陈 志 盛， 李仲 阳， 等 系 统 中 二 自由 度 内模 控 制器 的 优 化 设 计 计 算 机 工程 与应 用 ， ， （ ） ： ， ， （ ）： 。 ， ， 作者简 介 ： 彭 可（ 一） ， 男， 湖南益阳人 ， 湖南师范大学工学院副教授 ， 湖南大学电气与信息工程学院博士后 ， 研究方向