摘要：為了深入研究閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中延時(shí)對(duì)控制性能的影響和延時(shí)補(bǔ)償方法，將控制器局域網(wǎng)(CAN)總線應(yīng)用到伺服控制系統(tǒng)中，組成具有總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)，研究了該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的總體組成和實(shí)現(xiàn).針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的實(shí)際問(wèn)題設(shè)計(jì)了控制器，有效地提高了系統(tǒng)性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其有效性.
關(guān)鍵詞：CAN總線；Smith預(yù)估器；伺服控制系統(tǒng)；延時(shí)補(bǔ)償

    現(xiàn)場(chǎng)總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)代控制技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展，是應(yīng)用在生產(chǎn)最底層的一種總線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，可作為現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)的、直接與所有受控(設(shè)備)節(jié)點(diǎn)串行相連的通信網(wǎng)絡(luò)．傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)難于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間以及系統(tǒng)與外界的信息交換，形成一個(gè)信息孤島．而現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開(kāi)放式通信網(wǎng)絡(luò)，又是一種全分布式控制系統(tǒng).
    CAN(controller area network)稱為控制器局域網(wǎng).作者將CAN總線應(yīng)用到伺服控制系統(tǒng)中組成一個(gè)具有總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng),構(gòu)建基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將CAN總線運(yùn)用于伺服控制系統(tǒng).

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建
1．1 系統(tǒng)總體組成
    CAN總線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)的方式，上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)之間采用CAN總線進(jìn)行通信。傳輸介質(zhì)采用屏蔽雙絞線．上位機(jī)由一臺(tái)工控機(jī)和一塊插在ISA總線中的CAN適配卡組成，監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)和發(fā)送控制命令；而各節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)、CAN控制器及其它外圍電路組成，接收上位機(jī)發(fā)送的命令并執(zhí)行之，同時(shí)返回狀態(tài)信息．運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示．

    系統(tǒng)的主要功能是采集電機(jī)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)信息，并根據(jù)所得信息發(fā)送控制命令來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)．
    上位機(jī)(PC機(jī)或工控機(jī))通過(guò)CAN接口適配卡與各節(jié)點(diǎn)通信，規(guī)劃步態(tài)、啟停電機(jī)，應(yīng)用閉環(huán)控制算法計(jì)算并發(fā)送控制信號(hào),完成總體決策與控制；智能控制節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)發(fā)送的控制信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)速度單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度單元的控制；智能傳感器節(jié)點(diǎn)以定時(shí)中斷的方式周期性編碼粗、精自整角機(jī)傳送的信號(hào)，得到負(fù)載的軸角信號(hào)并通過(guò)CAN總線發(fā)送給上位機(jī)用于控制決策．這樣就組成了一個(gè)基于CAN總線的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).
    智能節(jié)點(diǎn)中，作為微處理器的單片機(jī)負(fù)責(zé)CAN控制器的初始化，通過(guò)控制CAN控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)；CAN總線驅(qū)動(dòng)器提供了CAN控制器與物理總線之間的接口，提供對(duì)總線的發(fā)送和接收功能；D／A轉(zhuǎn)換器和自整角機(jī)-數(shù)字轉(zhuǎn)換器及其外圍電路分別構(gòu)成了控制系統(tǒng)的模擬量輸出通道和模擬量輸入通道．
1．2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)FANUC公司生產(chǎn)的PWM功率放大器速度單元，如圖2所示．設(shè)計(jì)中將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)，通過(guò)研制CAN適配卡、智能控制節(jié)點(diǎn)、智能傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái).
    采用在PC總線中插入CAN通信適配卡，由單片機(jī)、CAN通信電路、信號(hào)檢測(cè)、A／D、D／A及它們的接口電路等構(gòu)成智能控制器節(jié)點(diǎn)和智能傳感器節(jié)點(diǎn)，各部分通過(guò)CAN總線連接在一起構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).這樣，一方面可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各功能的模塊化分離和設(shè)計(jì)，另一方面有助于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組建.

    選用工業(yè)PC機(jī)作為主控機(jī)，完成規(guī)劃步態(tài)、啟停電機(jī)、實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制算法等.采用80C196作為智能節(jié)點(diǎn)的微處理器，智能控制節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線接收上位機(jī)傳送的控制信號(hào)，由DACl210完成D／A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；智能傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)電子斯科特變壓器以及RDC完成A／D轉(zhuǎn)換，得到軸角信號(hào)并通過(guò)CAN總線傳送給上位機(jī)．至此，基于CAN總線的電機(jī)位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)搭建完成.

2 問(wèn)題描述及控制算法
2．1 問(wèn)題描述
    與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單、快捷、連線少、便于安裝與維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但在具有總線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)中，由于數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)不可避免，因此，一定程度上影響了控制系統(tǒng)的性能，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定.
    傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，傳感器采集到的數(shù)據(jù)直接反饋到控制器，控制器將計(jì)算得到的控制量直接輸出到D／A，得到的電壓控制信號(hào)立即作用于被控對(duì)象完成閉環(huán)控制．系統(tǒng)中的延時(shí)主要來(lái)自于控制算法的計(jì)算時(shí)間和硬件電路的延遲時(shí)間在將CAN總線引入閉環(huán)控制系統(tǒng)之后，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改變帶來(lái)了控制行為的巨大差異，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)總線傳遞到控制器節(jié)點(diǎn)，反饋回路中的數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)使得控制器無(wú)法實(shí)時(shí)獲得被控對(duì)象的狀態(tài)信息．同樣，控制器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的控制信號(hào)必須通過(guò)總線傳遞到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，傳輸延時(shí)的存在使得控制信號(hào)亦無(wú)法及時(shí)作用于被控對(duì)象．此種情況下，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)變?yōu)橛绊懴到y(tǒng)性能和破壞系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素，因此，必須采取能夠有效補(bǔ)償傳輸延時(shí)的控制算法.
2．2 控制器的設(shè)計(jì)
    Smith預(yù)估算法是克服純滯后的另一個(gè)有效的控制方法，其基本原理是通過(guò)預(yù)估對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，用一個(gè)預(yù)估模型進(jìn)行時(shí)間滯后的補(bǔ)償，補(bǔ)償器與被控對(duì)象共同構(gòu)成一個(gè)沒(méi)有時(shí)間滯后的廣義被控對(duì)象．這樣，控制器相當(dāng)于對(duì)一個(gè)沒(méi)有時(shí)間滯后的系
統(tǒng)進(jìn)行控制，從而有效地克服了純滯后的影響.
    在本系統(tǒng)中，CAN總線的波特率和傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)為固定值，在不考慮算法計(jì)算時(shí)間和硬件電路延遲時(shí)間的情況下，系統(tǒng)中的延時(shí)可以近似地用純滯后來(lái)模擬．由于通過(guò)Smith預(yù)估器的補(bǔ)償,可以近似地認(rèn)為廣義被控對(duì)象中已不含有時(shí)滯部分．控制器采用大誤差、中誤差、小偏差三段控制算法，其中，大誤差時(shí)數(shù)字控制器輸出飽和值(即D／A飽和輸出)，這樣伺服系統(tǒng)的速度環(huán)將以最大加速度啟動(dòng)直到最大速度，并以這個(gè)速度恒速運(yùn)動(dòng)；到達(dá)中等誤差以后，控制器按最大減速度規(guī)律ω=(2еε)1/2給出，引導(dǎo)伺服系統(tǒng)以最大減速度制動(dòng)，平穩(wěn)地到達(dá)協(xié)調(diào)點(diǎn)．式中：ε為減加速度；e為誤差.小偏差時(shí)控制算法采用