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《华中科技大学》 2006年
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基于时钟同步的网络化运动控制方法与实现

陈冰  
【摘要】: 网络化运动控制系统具有降低布线成本、便于诊断和维护、以及提高系统柔性等优点,运动控制网络是其关键组成部分。网络化运动控制系统需要通过控制网络在控制器和各个运动轴驱动器之间高频率、低延迟、低抖动地交换控制和传感数据,以保证运动的高速度和高精度。而串行控制网络本质上是有限带宽和异步的,这是网络化运动控制应用所面临的主要障碍,因此对这一问题的研究具有重要意义。本文提出了基于预测控制和网络时钟同步的解决方法。 首先,本文讨论了网络同步在多轴协调运动控制中的作用,提出了一种基于网络时钟同步的分布式插补方法。分析了网络延迟对单轴跟踪控制性能的影响,提出了基于时间戳和预测控制的补偿方法。对固定网络延迟,采用Smith预估器加以补偿,并应用零相位误差跟踪控制和Youla参数化改善其动态特性和鲁棒性。对随机时变网络延迟,采用广义预测控制算法和报文缓冲机制加以补偿。仿真和实验结果证明了上述算法的有效性。 采用同步的时钟,网络延迟可从每个报文中的时间戳信息获得。本文讨论了三种控制网络的时钟同步机制,提出了适用于多种网络的从时钟的调整算法,给出了基于ARM7系统的IEEE 1588协议的实现。 控制网络的最大允许延迟界限对实现预测控制算法非常重要。本文提出了基于时间自动机的控制网络最大延迟分析方法,通过建立网络调度的时间自动机模型,用模型检查方法分析网络的最大延迟,并给出了三种控制网络的时间自动机模型。提高运动控制网络通信的可靠性可有效地降低网络延迟,本文分析了电磁干扰对通信的影响,提出了一种CAN总线的光纤双环冗余网络方法。 最后,基于上述方法,完成了基于PROFIBUS的网络化运动控制原型系统和基于CANopen的剪板机网络化多轴同步控制系统的开发。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TP273

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