基于PROFIBUS總線的數(shù)控系統(tǒng)建模與仿真

1、基于PROFIBUS總線的數(shù)控系統(tǒng)建模與仿真     arget='_blank' class='infotextkey'>管理層之間的信息在傳輸過(guò)程中不可避免地存在著延遲。而且隨著通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的變化，該延遲通常是隨機(jī)時(shí)變的，從而影響了控制系統(tǒng)的性能甚至穩(wěn)定性。通常情況下，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的傳輸延遲可分為：· 固定延遲：一般適用于控制系統(tǒng)的采樣周期遠(yuǎn)大于網(wǎng)絡(luò)延遲時(shí)的情況。· 獨(dú)立分布隨機(jī)延遲：延遲服從某種概率分布，但具有獨(dú)立的統(tǒng)計(jì)特性。· 基于Markov鏈的隨機(jī)延遲。 

2、;   對(duì)于確定性現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，一個(gè)確定的控制系統(tǒng)（總線協(xié)議、傳輸速率、節(jié)點(diǎn)數(shù)量和配置確定）其網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)相對(duì)固定，因此本文的研究基于固定的現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸延時(shí)。    一、基于現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)控系統(tǒng)的基本模型    不同的現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)延遲的特性也不相同，為了分析網(wǎng)絡(luò)延遲對(duì)控制系統(tǒng)的影響，首先應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)延遲進(jìn)行建模，網(wǎng)絡(luò)延遲一般來(lái)說(shuō)是時(shí)變的，受網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷、鏈路層調(diào)度協(xié)議等因素的影響?；诂F(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將數(shù)控單元、執(zhí)行器和傳感器等連接起來(lái)構(gòu)成一個(gè)分布式的控制系統(tǒng)。因此基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)

3、多輸入、多輸出以及具有通信傳輸延時(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)。其基本模型如圖1所示。圖1 基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)控系統(tǒng)的基本模型    該模型由數(shù)控機(jī)床和數(shù)控單元兩部分組成。數(shù)控機(jī)床部分動(dòng)態(tài)模型包括n個(gè)可觀測(cè)的狀態(tài)x，m個(gè)輸入u，以及r個(gè)輸出y；數(shù)控單元部分的動(dòng)態(tài)模型則包括q個(gè)可觀測(cè)的狀態(tài)z，r個(gè)輸入w，以及m個(gè)輸出v。該數(shù)控系統(tǒng)包括m個(gè)執(zhí)行器，r個(gè)傳感器和一個(gè)數(shù)控單元，因此n、m、r以及q均為正整數(shù)。其中s1，s2，sr和a1，a2，am分別表示傳感器與數(shù)控單元之間以及數(shù)控單元與執(zhí)行器之間的信號(hào)傳輸延時(shí)，即變量wr和um分別代表信號(hào)yr和vm經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸后的延時(shí)信號(hào)。 

4、   在圖1中，數(shù)控機(jī)床部分可看作為線性時(shí)不變連續(xù)系統(tǒng)，因此其動(dòng)態(tài)模型GP可由如下的連續(xù)狀態(tài)方程描述：         其中：x（t）Rn，u（t）Rm，y（t）Rr而Ap，Bp，Cp為維數(shù)可變的常系數(shù)矩陣。    由于數(shù)控單元由數(shù)字計(jì)算機(jī)按一定的采樣頻率采集數(shù)控機(jī)床的傳感器信息，并通過(guò)一定的算法進(jìn)行數(shù)字處理，對(duì)數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部件發(fā)送動(dòng)作指令。因此數(shù)控單元部分只能看作為離散系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)模型GC可由如下的離散狀態(tài)方程描述：     

5、60;   其中：z（k）=z（kT）Rq，w（k）=w（kT）Rr，v（k）=v（kT）Rm，T為采樣周期，同樣F，G，H和J為維數(shù)可變的常系數(shù)矩陣。    基于現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)控系統(tǒng)最大的特征就是在數(shù)控單元與數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信存在延時(shí)。如圖1所示，通常情況下，           其主要原因就是現(xiàn)場(chǎng)總線采用的是串行數(shù)據(jù)傳輸方式，信號(hào)u（t）與v（k），w（k）與y（t）之間存在延時(shí)，因此現(xiàn)場(chǎng)總線的通信環(huán)節(jié)的時(shí)間延時(shí)的大小決定了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性

6、能。    二、基于PROFIBUS總線數(shù)控系統(tǒng)模型的建立    為了抑制總線傳輸延遲對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)造成的影響，建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)控系統(tǒng)的模型對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸延時(shí)所造成的系統(tǒng)性能影響進(jìn)行理論分析與仿真研究具有非常重要的意義。在圖1所示的基本模型中，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性和系統(tǒng)參數(shù)的不確定性，因此很難建立其精確的數(shù)學(xué)模型。本文提出采用Matlab/simulink工具，建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線數(shù)控系統(tǒng)模型并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的傳輸延時(shí)所造成的數(shù)控系統(tǒng)性能影響進(jìn)行仿真與分析。圖2 基于Profibus數(shù)控系統(tǒng)模型    一般來(lái)

7、說(shuō)數(shù)據(jù)通信控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的混合系統(tǒng)，如果在仿真過(guò)程中使用離散傳遞函數(shù)（不考慮采樣周期內(nèi)的輸入/輸出的變化）來(lái)研究微小的總線傳輸延遲對(duì)控制系統(tǒng)造成的影響將變得非常困難。如圖2所示，為了避免這些問(wèn)題，而且盡可能真實(shí)地仿真基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)的行為，我們把離散的控制系統(tǒng)作為連續(xù)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，同時(shí)在一個(gè)采樣周期內(nèi)使用采樣/保持單元鎖存信息。在這種情況下，等待總線授權(quán)所造成的延時(shí)，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感設(shè)備輸出信息鎖存的時(shí)間到信息鎖存至控制器的時(shí)間延時(shí)來(lái)進(jìn)行模擬。模型中的各個(gè)模塊的描述如下：    1現(xiàn)場(chǎng)總線介質(zhì)訪問(wèn)控制模塊（Ask Token）  

8、;  在Profibus總線的數(shù)據(jù)鏈路層中所采用的介質(zhì)訪問(wèn)控制方式為混合介質(zhì)存取方式，即主站與主站之間為典型的總線令牌傳遞方式，主站與從站之間為主從輪詢方式。這種介質(zhì)訪問(wèn)控制方法滿足介質(zhì)存取控制的基本要求：在主站和主站之間通信，能夠確保在確定的時(shí)間間隔中，任何一個(gè)站點(diǎn)都有足夠的時(shí)間來(lái)完成通信任務(wù)；在主站和從站間，能夠快速又簡(jiǎn)單地完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。    各主站在邏輯上形成一個(gè)令牌環(huán)，當(dāng)邏輯環(huán)上的主站得到令牌后，允許它在一定的時(shí)間內(nèi)與從站或主站通信，在這段時(shí)間內(nèi)，各主站和從站監(jiān)視總線，以便對(duì)持有令牌的主站的請(qǐng)求做出回應(yīng)。為控制令牌循環(huán)時(shí)間，Profibu

9、s總線的介質(zhì)訪問(wèn)控制MAC協(xié)議設(shè)置了三種令牌時(shí)間：理想令牌循環(huán)時(shí)間TTR、實(shí)際令牌循環(huán)時(shí)間TRR和令牌持有時(shí)間TTH。主站兩次接收到令牌的時(shí)間間隔定義為實(shí)際令牌循環(huán)時(shí)間TRR；理想令牌循環(huán)時(shí)間TTR是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和信息吞吐量預(yù)先組態(tài)好的，它決定了各主站的令牌持有時(shí)間的長(zhǎng)短。令牌持有時(shí)間TTH為T(mén)TR與TRR之差。    為了計(jì)算以上三種時(shí)間，Profibus的MAC協(xié)議還設(shè)置了兩類計(jì)時(shí)器：TRR計(jì)時(shí)器和TTH計(jì)時(shí)器。當(dāng)令牌到達(dá)某個(gè)主站時(shí)，此節(jié)點(diǎn)的TRR計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)令牌又一次到達(dá)該主站時(shí)，將TRR計(jì)時(shí)器的值與理想令牌循環(huán)時(shí)間TTR的差值賦給TTH計(jì)時(shí)器，得到T

10、TH的值，即TTH=TTR-TRR，TTH計(jì)時(shí)器根據(jù)該值控制信息的傳送。如果TTH為負(fù)，即令牌到達(dá)超時(shí)，則此節(jié)點(diǎn)最多只可以發(fā)送一個(gè)高優(yōu)先級(jí)信息，然后必須傳遞令牌；如果TTH不為負(fù)，表明令牌及時(shí)到達(dá)，則此節(jié)點(diǎn)可以連續(xù)發(fā)送多個(gè)等待發(fā)送的高優(yōu)先級(jí)信息，當(dāng)高優(yōu)先級(jí)信息全部發(fā)送完畢，如果仍然有持牌時(shí)間，則可以繼續(xù)發(fā)送低優(yōu)先級(jí)信息。所有信息發(fā)送完畢或持牌時(shí)間超時(shí)，則令牌傳遞給下一站令牌傳遞方式，在網(wǎng)絡(luò)重載時(shí)有很好的時(shí)間確定性，但在此時(shí)，通信確認(rèn)顯得尤為重要。在網(wǎng)絡(luò)高吞吐量時(shí)，為了滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，及時(shí)傳遞嚴(yán)格的周期性信息，Profibus將傳送的信息按照優(yōu)先級(jí)分為高優(yōu)先權(quán)消息和低優(yōu)先權(quán)消息。只有高優(yōu)先權(quán)消息傳送完畢或沒(méi)有高優(yōu)先權(quán)消息，才執(zhí)行低優(yōu)先權(quán)消息發(fā)送。在此基礎(chǔ)之上，Profibus對(duì)低優(yōu)先權(quán)消息進(jìn)行進(jìn)一步劃分，將低優(yōu)先權(quán)消息劃分為三個(gè)子類：輪詢表、非循環(huán)低優(yōu)先權(quán)和間隙表。這三個(gè)子類用于邏輯環(huán)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，在輪詢表中存有邏輯環(huán)的執(zhí)行順序。當(dāng)所有高優(yōu)先權(quán)消息發(fā)送之后，就發(fā)送輪詢表消息循環(huán)，非循環(huán)低優(yōu)先權(quán)消息只在完成輪詢表消息循環(huán)后才發(fā)送。    由于本文所研究的基于Profibus總線的數(shù)控系統(tǒng)采用的是純主從式結(jié)構(gòu)，而