網(wǎng)絡化控制系統(tǒng)的協(xié)同設(shè)計與形式化建模_圖文

1、 計 算 機 集 成制 造 系 統(tǒng) 第 卷 對 ， 控制 器局部 網(wǎng) （ 定為 （ 網(wǎng)絡傳輸 時延與接收緩 沖區(qū) 隊列 長度 成正 比， 如果取 一 ， 則經(jīng)確定化后三軸 ） 。 由于受控對 象傳遞 函數(shù) 中包含積分 環(huán)節(jié) ， 又 考慮 到位 置控 制器 節(jié)點運 算 能力 有 限 ， 參 考 文 獻 ， 采 用 了一種 改進的二 自由度 預估 控制器 ， 單 軸 的 ， ） 和局 部操作 網(wǎng)絡 （ ， ） 三 種 總線 網(wǎng) 絡 的分 布 范 圍 、 子 網(wǎng)節(jié) 點 數(shù)、 數(shù) 據(jù) 幀 長度 、 網(wǎng)絡 帶 寬等 靜 態(tài) 指 標 進行 圖 表對 比 分 析 ， 可 知這里 采用 總 線 網(wǎng) 絡 較 為

2、 合適 。 控 制結(jié) 構(gòu)如圖 所示 。利用混沌 模擬退火 優(yōu)化算 法 ， 可 以得到該控制器優(yōu)化參 數(shù) 忌 ， 是 ， 是 ， 。本例 中 求得 ： 兩軸 控 制 器 參數(shù) 為 志 一 ， 忌 一 （ ） 動 態(tài) 子 映 射 。 可 以采 用 解 析 分 析法 ： ） 單發(fā)送緩 沖區(qū)時 ， 網(wǎng)絡 傳輸時延 ， 志 ， 一 ； 軸 控制 器 參數(shù) 為 一 ， 愚 ： ： ， 忌 ； 一 ， 一 。 去 。 （ × ） （ ） 。 一 式中 ： 為 當前 節(jié)點 數(shù) 據(jù)幀 字 節(jié)數(shù) ， 為 比當前 節(jié) 點通訊優(yōu)先 級 高 的節(jié) 點集 合 ， 為 相應 高優(yōu) 先 級 節(jié) 點 的數(shù)據(jù) 幀 字節(jié)

3、 數(shù) ， 為 網(wǎng)絡 的傳 輸 速率 ， ， 。 ） 當滿足條件 （ × ） × 廠 時， 可 以保 證 沒 有 數(shù) 據(jù) 幀 丟 失 。式 中 ： ， 為 網(wǎng) 絡 中所 有 圖 采 用二 自由度 預 估器 的單 軸結(jié)構(gòu) 圖 基于 的 子 模 型 建 立 節(jié)點 的集合 ， 為節(jié) 點 數(shù) 據(jù) 幀 的字節(jié) 數(shù) （ ） ， 廠 為 節(jié) 點 的采 樣 或 控 制 頻 率 ， 為 網(wǎng)絡 傳 輸 速率 。 通過上述 網(wǎng)絡 子模 型 和 控制 子 模 型 ， 可 以進一 步描述系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)化需求 為： 該數(shù) ） 網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)幀 最大 為 個有 效 字節(jié) ， 基本 可滿足 該系統(tǒng) 中控制 信息

4、的需求 ， 無需分 幀傳 輸 。 ） 通訊優(yōu) 先級 分 配 ， 即 手工 緊 急操 作 具 有最 高 優(yōu)先級 ， 機 對 于 各 位 置 控 制 器 發(fā) 送 的操 作 指 令 控 系統(tǒng)共 有 個 節(jié)點 ， 它們 分別是 三 軸各 自的 位移傳感 節(jié)點 、 位 置控制節(jié)點 、 手工操 作 節(jié)點和監(jiān)控 網(wǎng)絡管理節(jié)點 。 除 了監(jiān)控 網(wǎng)絡 管理 節(jié)點 采用 機 處理器外 ， 其余 節(jié) 點均 為單 片機 （ 次之 ， 傳 感與控 制器 周期信 息又次 之 ， 顯示 監(jiān)控 等信 息的優(yōu) 先級最低 。 控 制子 模型 的建 立與分 析 ） （ 傳感 節(jié) 點采用 ， 控 制節(jié)點 采用 ） 。共 有位 移傳感

5、 節(jié) 點 、 控 制 驅(qū) 動 節(jié)點、 手工操 作 節(jié)點 、 監(jiān)控 網(wǎng)管 節(jié)點 種類 型節(jié) 點 。 各 種類 型的節(jié) 點實 體分別 實 現(xiàn)不 同控 制和 網(wǎng)絡 服 務 功能。位移傳感節(jié)點完成位 置位移 的檢測 、 網(wǎng)絡通 訊 等功能 ； 控 制 驅(qū) 動 節(jié)點 實 現(xiàn)改 進 二 自由度 控 制算 法 、 電機 脈 沖寬 度 調(diào)制 （ ， ） 驅(qū)動 、 過 流 過 壓 保 護 以及 網(wǎng)絡 通 訊 等 功 能； 監(jiān)控 節(jié) 點 則 實現(xiàn) 工 況實 時 顯示 、 發(fā) 出工 序 指 （ ） 各軸位置控制 器均 輸 出電壓 信號 ， 驅(qū) 動伺 服 電動機進行位置控制 ； 三軸位移 和控 制 電壓 傳遞 函數(shù)

6、均可表示為 （ ） 一 一 。對于 兩軸 有 一 ， ； 對 于 軸有 一 ， 。 （ ） 確定傳 感節(jié) 點的 采樣 頻率 如 下 ： 兩 軸和 軸 開 環(huán) 截 止 頻 率 分 別 為 和 ； 取 網(wǎng)絡 傳 輸 速 率 為 。對 各 個 軸 向而 言， 采樣 頻率 的范 圍是 。 令、 人機交互和 網(wǎng)絡 服務管 理 等 ； 手 工操 作節(jié) 點 實現(xiàn) 點動 、 緊急停車 、 鍵 盤 和數(shù) 碼 顯示 等功 能 。對 于 本例 中的 表 示 圖 ， 只 選取 了系統(tǒng) 高層 用 例圖 、 靜 態(tài) 結(jié) 構(gòu)圖 、 局部協(xié)助 圖和狀 態(tài)圖來重點說 明。 本例選 取 三 軸采樣頻 率均 為 口 。 （ ） 位

7、置控制器算法設(shè)計如下 ： 考慮位置控制器與 基 于系統(tǒng)的總需求 和結(jié)構(gòu)化需求 ， 繪制 該 數(shù)控鉆床 的高層用例 圖 ， 如圖 所示 。對該 系統(tǒng)進 一 驅(qū)動執(zhí)行部分 在同一節(jié)點 上實現(xiàn) ， 只存在位移 傳感和 控制節(jié)點之 間的 網(wǎng)絡 傳輸時延 。若 三軸通 訊優(yōu) 先級從低 到高 排列 ， 則由 節(jié) 公 式可 得 ， 和 。設(shè)置接 收緩 沖 區(qū) 一 ， 由 可知 三軸傳 輸時延 均 被確 步使用職責驅(qū)動方 法識別出對象類 ， 描述 出靜態(tài)結(jié) 構(gòu)（ 如圖 ） ， 還可 由 和 州 提取各種 類 的屬 性與 方 法 。圖 中， 各種類 只列出了部分 主要 的屬性 和方 法 。例如 ， 手工操 作節(jié)

8、 點必須 完成手 工 緊急停 車 、 點 第 期 彭 可 等 ： 網(wǎng) 絡化 控 制 系統(tǒng) 的協(xié) 同設(shè) 計 與 形 式 化 建 模 研 究 系 統(tǒng)參 數(shù)保 存 圈 網(wǎng)絡 化三 軸數(shù) 控鉆 床 的高層 用 例圖 網(wǎng)絡化三軸數(shù)控鉆床 機床部分 監(jiān) 控 網(wǎng)管節(jié) 點 位 置值 ： 位 置值 刷 新 （ ） ： 三 軸控 制 ： 節(jié)點 芍 ： 手 工操 作 節(jié)點 靜 態(tài) 動 態(tài) 協(xié)議： 添加 節(jié) 點 ： 刪 除節(jié) 點 （ ） ： 通信 優(yōu)先 級 ： 通信 延 時 ： 發(fā)送 ： 接收 （ ） ： ： 位 移傳 感節(jié) 點 采 樣周 期 ： 參數(shù) ： 控制 驅(qū)動 節(jié) 點 位置查詢： 二 自由度 預估 運算 ：

9、驅(qū) 動輸 出 ： 接 收給 定值 ： 點 動控 制 （ ） ： 速 度控 制 ： 圖 網(wǎng)絡 化三 軸數(shù) 控鉆 床 的 靜 態(tài) 結(jié)構(gòu) 圖 計 算 機 集 成 制造 系統(tǒng) 第 卷 動輸入 職責 ， 監(jiān)控 節(jié) 點應 實 時 發(fā) 送 三軸 位 移 控 制指令 、 刷新狀 態(tài) 顯 示 等 。所 有 對 象 完成 功 能集 合 與它們 的屬 性 集 合 的并 集 ， 應 包 含 需 求 分 析階段 對 系統(tǒng) 總需求 的定義 ， 即（ ） 。 ， 否則說 明 當前 系統(tǒng)靜 態(tài)結(jié) 構(gòu)的分 析還不 足 以滿 足設(shè) 計 目標 。 綜 上所述 ， 通 過建 立 網(wǎng) 絡 、 控制 、 結(jié) 構(gòu) 實體 三 個 子 模型

10、， 已經(jīng)設(shè) 計 出該 網(wǎng)絡 化 數(shù) 控 系統(tǒng) 的形 式化 原 型， 為進 一步 的實 際開 發(fā)奠 定 了 良好基礎(chǔ) 。 結(jié) 束 語 本 文針對 當前 仍 然沒 有 一 套 成熟 設(shè) 計 與 建模 方法 的實 際情況 ， 探 討 了 網(wǎng)絡 化 控 制 系統(tǒng) 與 協(xié) 同設(shè) 計 及其 形 式 化 建模 方 法 ， 給出了網(wǎng) 在識 別 出上述對 象之后 ， 可 以繪制 對象協(xié) 作 圖 ， 仍 以 軸為例 說 明 。如 圖 所示 ， 是傳 感 節(jié) 點 類 一個 實 例 ， 為控 制 驅(qū) 動 節(jié) 點 類 的實例 ， 和 分別 是手 工操 作 節(jié)點 類 和 監(jiān) 控 網(wǎng)管 節(jié) 點 類 的實 例 。圖 中， 收

11、到 或者 的新 坐標 值后 ， 會 將傳感 節(jié)點 反饋 回來 的位 移值 與它們 進行 比較運 絡、 控制 、 結(jié) 構(gòu)實 體 三個 子 模 型 的定 義 ， 分 析 了三 者 的構(gòu)成要 素 以及 相 互之 間 的 映射 關(guān) 系 ， 提 出了基 于 和 的協(xié) 同設(shè) 計 框 架 ， 研 究 了利 用 進行 系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu) 實體 子 模 型設(shè) 計 ， 并 通 過設(shè) 計 實 例 驗證 了上述 方法 的可行 性 和有效性 。今后 進一 步的 算 。監(jiān) 控節(jié) 點與傳感 節(jié)點之 間還存 在顯示 數(shù)據(jù) 刷新 的連接 ； 這種 顯示更 新 可 由傳 感 節(jié) 點周 期 性 自主發(fā) 研究 將 圍繞提高 所 建立 結(jié)構(gòu)

12、 實體 子模 型 的可 執(zhí)行 性 和可驗證 性 而展 開 ， 例 如 實 現(xiàn) 自動 化硬 件 設(shè) 計 和軟件 編程 、 自動化 的約束 性驗 證等 。 參 考文獻 ： ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） 戴冠 中， 鄭 送， 也可 由監(jiān)控 節(jié) 點 主 動查 詢 。其 他對 象 協(xié) 助 圖也 可以類 似得 到 。 更 新位 置參數(shù) ： 更新 位 置參數(shù) （ ） 點動 ： ： 點動 應平 網(wǎng)絡 化 系 統(tǒng) 及 其 建 模 、 分析 、 控制 與優(yōu)化 自動 化 學 報， ， （ ） ： 。 ， ， ， ， （ ） ： （ ） 黎善斌 ， 王 智， 張衛(wèi) 東 ， 等 網(wǎng) 絡 控 制 系統(tǒng) 的 研

13、究 現(xiàn) 狀 與展 望 信 息 與控 制 ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， （ ） ： （ ） 陳幼平， 陳 冰， 謝經(jīng) 明 ， 等 網(wǎng) 絡 化 控 制 系 統(tǒng) 的 科 學 問題 與應 用 展 望 控 制 與 決策 ， ， （ ） ： ， ， ， （ ）： ， ， （ ） ： ， 一 匝 駕 豳 ， ， （ ）： 卜 。 ， ， （ ）： ， ， ， （ ）： ， ， ， 第 期 彭 可 等 ： 網(wǎng) 絡 化 控 制 系 統(tǒng) 的 協(xié) 同設(shè) 計 與形 式 化 建 模 研 究 （ ） ： （ ） 彭 晨 ， 岳 東 網(wǎng)絡 環(huán) 境 下 基 于 ， ， （）： 網(wǎng) 絡 的網(wǎng) 絡 控 制 器 優(yōu) 化

14、設(shè) 計 自動 化 學 報 ， ， （ ） 王 子君 ， 許 維勝 ， 王中杰 ， 等 網(wǎng) 絡 控 制 （ ） ： ， 系統(tǒng) 傳 輸 模 型 和 服 務 質(zhì) 量 的 研 究 與 仿 真 計 算 機 集 成 制 造 系統(tǒng) ， ， （ ） ： 。 ， ， ， （ ） ： （ ） 康 軍 ， 戴 冠 中 網(wǎng) 絡 化 控制 系統(tǒng) 綜 合 控 制 方 法 研 究 控制 與決 策， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： （ ） 白 濤， 吳智銘 ， 楊根科 網(wǎng)絡 化 控 制 系統(tǒng) 帶 寬 配 置 的 一 種 新 策 略 自動化 學 報 ， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： （ ） 陳思功 ， 秦

15、 曉， 章 恒 中 基 于 的軟 硬件 協(xié) 同設(shè) 計 的模 ： ， ： （ ） 彭 可 控制 網(wǎng)絡系 統(tǒng)性能 分析 、 系 統(tǒng) 設(shè) 計 和 型分析方法 軟件學報 ， ， （ ） ： ， ， ， 網(wǎng)絡 互 連 的 研 究 與 應 用 長沙 ： 中南 大學 ， ： ， ， ， （ ） ： （ ） 彭 可 ， 陳 志 盛， 李仲 陽， 等 系 統(tǒng) 中 二 自由 度 內(nèi)模 控 制器 的 優(yōu) 化 設(shè) 計 計 算 機 工程 與應 用 ， ， （ ） ： ， ， （ ）： 。 ， ， 作者簡 介 ： 彭 可（ 一） ， 男， 湖南益陽人 ， 湖南師范大學工學院副教授 ， 湖南大學電氣與信息工程學院博士后 ， 研究方向