實時以太網(wǎng)下多軸運動控制的同步問題研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)和商業(yè)系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展，對控制系統(tǒng)中應(yīng)用共享數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求也與日俱增。近些年，網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)已越來越多的應(yīng)用于基于因特網(wǎng)的遠程操作中，并逐漸拓展到諸如高檔數(shù)控系統(tǒng)和無軸印刷控制系統(tǒng)等領(lǐng)域中，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在:具有可擴展性好、可靠性高以及遠程控制能力等優(yōu)點;同時，它們能夠解決接線復(fù)雜和傳輸距離限制等問題，以及顯著減少安裝、重新配置和維護的時間及其成本。但是，實時性和網(wǎng)絡(luò)同步、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲等網(wǎng)絡(luò)影響因素給控制網(wǎng)絡(luò)下的運

2、動控制，尤其是高精度的多軸協(xié)調(diào)控制，帶來了極大的挑戰(zhàn)。
　　 本學(xué)位論文以在高檔數(shù)控系統(tǒng)和無軸印刷機中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)為應(yīng)用背景，研究網(wǎng)絡(luò)下多軸運動的同步問題。針對制造領(lǐng)域的傳感器、執(zhí)行器和運動控制器之間采用的現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，即實時以太網(wǎng)，將多軸運動控制的同步問題解耦為時鐘同步和運動同步兩個層面，著重解決如下三個問題:1.設(shè)計和開發(fā)實時以太網(wǎng)協(xié)議棧可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)運動控制系統(tǒng)仿真和實驗平臺;2.建模時鐘同步過程，設(shè)計時鐘同步算法實

3、現(xiàn)級聯(lián)實時以太網(wǎng)系統(tǒng)中所有從節(jié)點的時鐘同步精度量級為幾十個納秒，同時降低誤差增長率，增加級聯(lián)系統(tǒng)中可攜帶的從節(jié)點個數(shù);3.設(shè)計基于實時以太網(wǎng)的多軸運動同步策略時，使算法分布運行于各節(jié)點中，同時還要考慮網(wǎng)絡(luò)中諸如網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略等影響因素，并證明全局系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。本文的主要研究工作和創(chuàng)新性成果如下:
　　 一、設(shè)計和開發(fā)了實時以太網(wǎng)下的開放式仿真和實驗平臺。通過這些平臺，可以快速的實現(xiàn)基于各種實時以太網(wǎng)協(xié)議的多軸運動

4、控制系統(tǒng)，為后面提出的時鐘同步算法和多軸運動同步算法提供了很好的驗證平臺。尤其是設(shè)計的開放式實驗平臺，搭建時僅需要在相同的硬件設(shè)施上配置相關(guān)實時以太網(wǎng)協(xié)議棧，從而顯著降低開發(fā)時間和成本。給出的兩個應(yīng)用實例說明了設(shè)計的開放式仿真和實驗平臺在研究中的可重構(gòu)性和有效性。
　　 二、針對實時以太網(wǎng)運動控制系統(tǒng)中實現(xiàn)多軸運動同步所需的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)——時鐘同步，深入研究了基于IEEE1588的時鐘同步策略。該策略基于頻率補償機制和點對點透明

5、時鐘機制，提出了一種實時同步協(xié)議來將這些時鐘同步機制融入到實時以太網(wǎng)通信協(xié)議中。然后在對整體時鐘同步過程進行建模和分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種最優(yōu)PI時鐘伺服，以便能最小化時鐘同步誤差的積分平方誤差。再者，通過分析長級聯(lián)路徑的實時以太網(wǎng)系統(tǒng)中時鐘同步誤差累積的原因，提出了一種基于卡爾曼濾波器的PI時鐘伺服，以補償由時間戳量化效應(yīng)帶來的誤差累積現(xiàn)象，進而降低級聯(lián)實時以太網(wǎng)中時鐘同步誤差的增長率。最后，在設(shè)計的開放式實驗平臺上對提出的各種時鐘同

6、步算法進行了實驗驗證。實驗結(jié)果顯示提出的時鐘同步算法可以使從節(jié)點4測量到的峰到峰抖動僅為59.37ns，此性能可以與當(dāng)下代表性研究成果相媲美，并且是在低成本晶振的基礎(chǔ)上獲得的。同時，算法還能夠顯著降低時鐘同步誤差的增長率，從而增加級聯(lián)實時以太網(wǎng)系統(tǒng)中可攜帶的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目。
　　 三、在實現(xiàn)的高精度時鐘同步的基礎(chǔ)上，針對實時以太網(wǎng)系統(tǒng)中的運動同步問題，提出了分布式位置同步控制器和分布式軌跡跟蹤控制器。在控制器的設(shè)計過程中，不僅考慮

7、了不同軸之間不同的負載慣量和干擾因素，更重要的是還考慮了實時以太網(wǎng)中消息調(diào)度策略和網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲等主要影響因素。同時，提出在分布式位置同步控制器和軌跡跟蹤控制器中采用運動消息估計器來估計當(dāng)前時刻的位置誤差，從而降低網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)延遲對運動同步精度的影響。并證明這些帶延遲補償?shù)姆植际轿恢猛娇刂破骱蛙壽E跟蹤控制器是漸近穩(wěn)定的，最后從仿真和實驗兩個方面對提出的運動同步算法進行了驗證。
　　 本文所設(shè)計的高性能時鐘同步算法和運動同步算法為實時