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)平臺的總體組成和實(shí)現(xiàn).針對該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的實(shí)際問題設(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)zui底層的一種總線型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，可作為現(xiàn)場控制系統(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)場總線控制系統(tǒng)既是一個(gè)開放式通信網(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，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)送控制命令來控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)．
    上位機(jī)（PC機(jī)或工控機(jī)）通過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,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，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號驅(qū)動(dòng)速度單元，實(shí)現(xiàn)對速度單元的控制；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，得到負(fù)載的軸角信號并通過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)，通過研制CAN適配卡、智能控制節(jié)點(diǎn)、智能傳感器節(jié)點(diǎn)來構(gòu)建基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺.
    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、信號檢測、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CAN總線接收上位機(jī)傳送的控制信號，由DACl210完成D／A轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)；智能傳感器節(jié)點(diǎn)通過電子斯科特變壓器以及RDC完成A／D轉(zhuǎn)換，得到軸角信號并通過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 問題描述及控制算法
2．1 問題描述
    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立即作用于被控對象完成閉環(huán)控制．系統(tǒng)中的延時(shí)主要來自于控制算法的計(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)使得控制器無法實(shí)時(shí)獲得被控對象的狀態(tài)信息．同樣，控制器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的控制信號必須通過總線傳遞到執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，傳輸延時(shí)的存在使得控制信號亦無法及時(shí)作用于被控對象．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，其基本原理是通過預(yù)估對象的動(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)償器與被控對象共同構(gòu)成一個(gè)沒有時(shí)間滯后的廣義被控對象．這樣，控制器相當(dāng)于對一個(gè)沒有時(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模擬．由于通過Smith預(yù)估器的補(bǔ)償,可以近似地認(rèn)為廣義被控對象中已不含有時(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zui大加速度啟動(dòng)直到zui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zui大減速度規(guī)律ω=（2еε）1/2給出，引導(dǎo)伺服系統(tǒng)以zui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)控制算法采用加前饋及積分分離的PID位置算法實(shí)現(xiàn)對被控對象的位置閉環(huán)控制．
    由于Smith預(yù)估控制器是基于被控對象數(shù)學(xué)模型之上的，所以需要對被控對象的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行辨識.
2．3 被控對象模型的辨識
    FANUC直流PWM驅(qū)動(dòng)器的模型比較復(fù)雜，將其與電機(jī)組合成一個(gè)二階系統(tǒng)（系統(tǒng)內(nèi)環(huán)），如圖3所示．
    圖中：減速器的減速比i=69.47；k，kl，k2為待辨識參數(shù).將上述被控對象的連續(xù)狀態(tài)方程給出，以采樣周期Ts=5 ms離散化，再利用zui小二乘法辨識，zui終可得k=69 354，k1=35.10，k2=4 254．10，則被控對象的傳遞函數(shù)為998．33／（s3+35．1 s2+4 254．1s）．
 

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果
    實(shí)驗(yàn)中，智能傳感器節(jié)點(diǎn)以5 ms為周期采樣，智能控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)采用事件驅(qū)動(dòng)方式，CAN總線波特率設(shè)定為1 Mbit／s，反饋數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)皆為6 B．分別以加Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)娜慰刂扑惴ê臀醇覵mith預(yù)估補(bǔ)償?shù)娜慰刂扑惴▽ο到y(tǒng)實(shí)施控制．在輸入為階躍、等速、正弦信號情況下,系統(tǒng)響應(yīng)曲線和誤差曲線如圖4～圖6所示．
    圖4～圖6中縱坐標(biāo)單位為“碼”，（1碼=360°／65 536）．圖4中階躍輸入給定值為16．5°，直接采用三段控制算法時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生超調(diào)并有明顯震蕩過程.在采用Smith預(yù)估算法以后，系統(tǒng)的穩(wěn)定性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)過程無超調(diào)，階躍響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能明顯改善，穩(wěn)態(tài)誤差的值小于1mrad，滿足精度要求．圖5為等速跟蹤情況．角速度給定值為30°／s，由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的影響，系統(tǒng)跟蹤誤差較大，跟蹤精度降低.
    采用Smith預(yù)估算法可顯著減小系統(tǒng)的跟蹤誤差，提高跟蹤精度，保證跟蹤過程的準(zhǔn)確度和平穩(wěn)性．圖6給定測試信號zui大角速度為30°／s,zui大角加速度為30°／s2的正弦信號，未采用Smith預(yù)估算法時(shí)，受總線傳輸延時(shí)影響，系統(tǒng)誤差值和誤差變化幅度較大.Smith預(yù)估算法一定程度上有效地補(bǔ)償了延時(shí)影響，從而使得系統(tǒng)誤差顯著減小，電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中振動(dòng)隨之減小，系統(tǒng)性能有了較大提高.

4 結(jié)束語
    完成了基于CAN總線的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的組建，在此基礎(chǔ)上針對總線上數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)對系統(tǒng)控制性能的影響，進(jìn)行了控制算法研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Smith預(yù)估器加三段控制算法構(gòu)成的控制器能有效地補(bǔ)償系統(tǒng)延時(shí)，減小系統(tǒng)誤差，保證系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性和控制性能