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《山东大学》 2007年
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基于Windows的开放结构控制平台及应用研究

武洪恩  
【摘要】: 数控系统的开放化是当今数控技术的发展主流。开放式运动控制系统的研究目的是要建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统结构,以增强数控系统的功能柔性,在体系结构上给用户留有进行二次开发的更多余地,能够快速而经济地响应新的加工需求。 当前,Windows(NT/2000/XP)作为桌面操作系统的事实标准,经济方便的解决其实时性问题,将为Windows在工业控制领域的应用提供一个理想平台,同时也将会为开放体系结构控制系统的研究提供一个理想的系统平台,也越来越促使人们开展将Windows应用于开放式运动控制系统的研究工作。现场总线技术由于其开放性、体系结构的分散性、现场环境的适应性、现场设备智能化以及互操作性,将会为控制系统体系结构的开放提供一个理想的平台。本文围绕PC硬件环境下基于Windows操作系统平台以现场总线技术实现的开放式运动控制平台WOAP(Windows-based Open Architecture Platform for controller in motion control)进行研究。从总线技术、Windows下控制平台内核的开放性方法、Windows操作系统的实时处理机制等进行了系统研究,并且将研究成果应用于异型外圆活塞表面加工车床数控加工系统。全文主要研究工作和成果如下: 结合当前先进的计算机软硬件技术、信息技术、现代控制技术,根据系统的开放性要求,以PC硬件为基础,设计了WOAP层次结构模型。将WOAP按功能分为四层:物理层、操作系统层(包含CNC实时内核和设备驱动)、开放接口层和应用控制层。给出了WOAP混合式的拓扑结构。采用运动控制总线技术构建了开放结构控制平台。WOAP硬件系统包括工业标准PC机、现场总线控制卡、电机驱动适配卡、模拟和数字I/O适配卡。对于软件系统,根据系统任务的实时性,将系统任务划分为:强实时、弱实时以及非实时任务。提出采用Windows内核实现强实时控制任务,如位置控制,实时监控以及现场总线访问等,采用面向对象的设计方法,将位置控制策略等设计为可装配的部件;将弱实时任务以及非实时任务采用Win32进程以COM(Component Object Module)技术实现。以COM形式实现数控系统体系结构的复用性、开放性、可配置、易扩展。内核开放设计采用CNC内核访问组件或者是内核访问API方式,实现强实时内核的可配置,达到强实时内核开放的目的。给出了CNC内核访问组件接口的IDL(Interface Definition Language)语言定义。WOAP平台达到了开放体系结构控制系统内核层次的开放。 现场总线的应用使传统的控制系统体系结构发生了重大的变革,同时为开放结构控制平台的在较大范围内选择和配置硬件提供了一个有效的渠道。参考目前市场上典型的运动控制现场总线SERCOS,以及国家标准《控制与驱动装置间实时串行通信数据链路》,对王恒提出的SCOM(Serial Communication Bus in Motion control)现场总线进行了更新,实现了适合于Windows平台应用的新的运动控制现场总线——实时串行通讯总线RTSB(Real-Time Serial communication Bus)。给出了网络的广播型拓扑结构,建立了现场总线的互连参考模型,采用异步串行通讯的物理层协议,参考OSI标准协议中的高级数据链路控制HDLC协议的帧结构制定了RTSB的报文结构及内容。给出了现场总线访问子层中的总线通讯时序、同步机制、错误处理、系统初始化过程。给出了RTSB主控卡的电气原理图,用户接口层API以及Windows平台驱动程序结构。提出一种全新的总线设备枚举方法,便于系统为总线设备动态分配网络地址,避免了由于适配卡使用固定地址带来的系统管理弊端。RTSB不但解决了传统控制器结构中的问题并为实现下一代数字驱动器接口提供了途径,而且解决了非实时操作系统下的实时控制问题,同时也可以消除实时操作系统定时基准抖动引起的控制系统时间的漂移,为实现控制系统的高速、高精度性能奠定了基础。 对Windows操作系统的微内核结构的体系结构分析知道,Windows将中断处理过程分做两步进行。就像在高性能实时操作系统中一样,在直接中断处理那一步中的各个中断服务程序ISR(Interrupt Service Routine)都很短,Windows的中断延迟与实时操作系统的中断延迟差不多。Windows是一个优秀的通用操作系统平台,但由于它在中断处理、线程调度、虚存系统等各方面充分考虑了弱实时应用的需求,具有延迟过程调用DPC、内核完全可被抢先等机制,能够提供非常高的系统吞吐率和很低中断响应延迟,其内核硬件中断延迟与实时操作系统的中断延迟差不多,因而可以通过对系统进行扩展,提高系统的实时处理能力。采用运行于内核态的设备驱动程序对系统进行实时扩展,可以满足系统中断的可预测性要求。采用Windriver Kernel Plugin技术设计了PCI/ISA总线RTSB主站控制卡的Windows驱动程序。对Windows平台下的中断响应延迟特性进行了测试,表明Windows系统在ISR级系统中断具有相当程度的确定性。根据Windows中断响应的特点,通过合理安排驱动程序的响应顺序,配合RTSB总线控制卡,可以极大地提高系统的实时应用能力。描述了WOAP微控内核的结构,数据交换缓冲区的结构以及实现系统实时内核开放的方法。采用Windows中断服务程序,配合RTSB总线技术构成的运动控制平台WOAP,其系统定时周期偏差不大于250ns,达到了硬件实时的水平,成功的方便、经济地解决了Windows系统应用于实时控制任务时的实时性要求。可以满足运动控制系统的实时性要求。 为了提高内燃机的性能,活塞型面一般设计为复杂的三维立体曲面,来补偿活塞在高温、高压环境下的形状变化。在分析了目前所使用的活塞型线的基础上,通过对异型活塞型面的特征进行分析,提出将型面先分解再合成的活塞设计方法。将型面划分为“纵向型线”、“椭圆”、“变椭圆度”三个基本特征,对每一种特征给以恰当的数学描述。同时根据活塞表面特性引入“旋转”,“偏心”特征,以适应活塞形状的变化。对特征信息进行了规划设计,将横截面型线根据曲线特点划分为规则曲线与非规则曲线。对于规则曲线,直接用曲线解析表达式进行描述曲线;对于非规则曲线,采用三次非均匀B样条进行拟合插值。纵向型线特征以及椭圆度变化特征采用三次样条进行拟合。根据活塞加工过程中刀具运动学特点,提出了—信号分离型和信号合成型相结合的运动学模型。根据活塞型面加工系统运动学特性,将各个特征进行合成,最终生成控制刀具运动轨迹的实时加工数据文件。提出采用微圆锥体来逼近椭圆型面法,可以减小离散截面个数,减小数据文件尺寸,提高表面轮廓精度。根据型面特征,采用模块方法设计了型面设计软件系统。系统具有友好的界面,丰富的功能,可以满足目前遇到的活塞的型面设计要求。同时该设计系统与活塞异型表面车削加工数控系统有机地集成到一起,便于系统及时获得数控机床信息,也便于机床与活塞加工模块的一体化控制,为数控系统的运行提供了非常大的灵活性。 作为开放结构控制平台的一个应用特例,设计了活塞外圆异型型面车削加工机床数控系统。通用数控机床的进给伺服系统的频宽一般为10~20Hz,活塞典型加工时要求的刀架运动频率为50Hz以上,所以必须采用专用的伺服刀架系统。本文采用超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)作为刀架伺服系统。根据活塞异型表面车削加工的特点,其加工控制系统是由车床控制系统及外圆加工控制系统组成的。在开放平台的基础上,扩展轴适配卡实现外圆车削控制模块。对高频响GMA驱动器的动态特性进行了分析,可以将刀架伺服系统看作惯性环节串联滞后环节的形式。采用频率特性方法进行了GMA控制系统的系统辨识,为有效屏蔽由于噪声干扰引起的辨识误差,采用正交相关法进行数据分析,得出系统的幅值与相位,进而得到系统的近似传递函数表达式。采用幅频相位前馈以及PID控制相结合的方法对GMA系统进行校正。将控制系统应用于实际加工,零件加工精度满足设计要求。
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP273.5

【引证文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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1 武洪恩;基于Windows的开放结构控制平台及应用研究[D];山东大学;2007年
2 林宝君;连杆裂解半自动生产线自动化系统的控制技术研究[D];吉林大学;2009年
3 王恒;开放结构控制器的研究及其在活塞加工中的应用[D];山东大学;2003年
4 胡天亮;STEP-Compliant开放式数控平台设计方法研究[D];山东大学;2008年
5 陈秀生;基于STEP-NC的数控车削加工仿真关键技术研究[D];山东大学;2007年
6 张崇礼;楚简释读[D];山东大学;2008年
7 李宏胜;轮廓跟踪运动控制系统关键技术的研究[D];东南大学;2005年
8 胡玉景;超声振动—磨削—脉冲放电复合加工技术及其智能控制的研究[D];山东大学;2006年
9 史旭光;智能控制系统理论应用于数控设备的若干关键问题研究[D];华南理工大学;2009年
10 李锋;骨髓间充质干细胞移植促进心肌梗死心肌VEGF表达及血管生成的实验研究[D];山东大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 戴安成;三坐标测量机开放式运动控制器设计[D];天津理工大学;2008年
2 殷哲波;基于FPGA的数控系统现场总线技术的研究[D];华中科技大学;2008年
3 展有杰;计算机远程监控系统在分布式中央空调系统中的应用[D];山东大学;2006年
4 谷新;数控技术在轧辊磨床上的应用[D];上海交通大学;2008年
5 朱剑;基于DSP与USB的移动机器人运动控制系统研究与开发[D];山东大学;2008年
6 杨逍;基于Windows实时扩展的全软件数控系统程序结构设计[D];哈尔滨工业大学;2010年
7 蔡兵;基于DSP和FPGA的激光加工控制系统研究[D];华中科技大学;2006年
8 何勇;基于PC/104的嵌入式运动控制系统的研究[D];四川大学;2005年
9 李少兵;基于DMC的数控系统设计与应用[D];江南大学;2008年
10 李文峰;制锁设备专用数控系统研究[D];河海大学;2002年
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