一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统技术方案

本发明专利技术属于工业嵌入式控制技术领域，公开了一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统，设置有指令输入模块、参数配置模块、中央控制模块、指令解析模块、时钟分布模块、数据通信模块、故障容错模块。本发明专利技术无需在操作系统的内核空增加模块，也不需要增加实时补丁，即可实现精确的主从站同步通信；同时通过故障容错模块分析EtherCAT的系统结构和消息传输的可靠性，根据其主从式的结构和飞速传输方式，使用泊松分布对消息发送和传输过程中的瞬时故障发生概率进行预测，提高EtherCAT系统的可靠性，形成EtherCAT系统中消息调度与容错方法的方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统
本专利技术属于工业嵌入式控制
，尤其涉及一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：EtherCAT(以太网控制自动化技术)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统；Ethercat主张"以太网控制自动化技术"。它是一个开放源代码，高性能的系统，目的是利用以太网协议(最惠国待遇系统局域网)，在一个工业环境，特别是对工厂和其他制造业的关注，其中利用机器人和其他装备线上的技术。然而，现有基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统主从站同步通信误差大；同时EtherCAT系统可靠性低。基于模型的非线性控制在理论和应用上已经取得长足的发展，如反馈线性化，滑模控制，反演控制等。现有技术对目前一些主要的非线性控制方法做了相应的总结和归纳。自适应技术由于能在线估计未知参数，因此被广泛的和诸多非线性控制方法结合用于设计容错控制。而自适应控制需要被估计的参数和控制输入为仿射形式，即不确定参数和控制输入须为显性形式，或和状态变量的关系为线性化关系。飞控系统中，常用的方法是在配平点附近线性化，如果飞行器当前的状态量和控制输入呈现非仿射形式时，所线性化的模型就是时变的，所以基于配平点附近线性化模型设计的控制器可能会造成闭环系统不稳定，甚至系统发散。要设计一个非仿射非线性系统的容错控制器不是一件简单的事情，有两个难点要充分的解决，一是如何设计一个自适应参数估计算法，二是如何设计一个可重构控制算法。一个比较常见的自适应参数估计算法就是将系统模型在参数标准值附近泰勒级数展开，利用泰勒级数的低阶项设计参数观测器。这样对于参数小范围摄动的系统能取得较好的估计，而对于故障这类参数大范围变化的系统，这样的方法很难得到理想的参数估计值，如果系统同时存在外部干扰，估计的参数又会存在误差，甚至实现不了参数的估计。所以如何针对故障下的非仿射非线性不确定系统设计理想的参数估计器设计值得探讨。现有的一些非仿射非线性系统的可重构控制器都存在一定的不足，常用的逆系统方法需要寻找系统模型的逆，虽然现有技术证明了一个可控系统必然存在它的逆，但是找一个逆系统并不是意见容易的事情，如控制输入隐含在正弦和余弦函数中。现有技术[137]提出一种非仿射控制器设计方法，但是该方法最大的缺点就是会增加系统的阶数。现有技术基于时标分离的方法设计了一种非仿射控制器，但是该方法不足之处就是该方法很难和现有的自适应技术，滑模技术等有效的结合。为了给出一种有效的非仿射控制器设计方法，作者在现有技术[158]中提出一种控制器设计方法，引入一个滤波器用于近似估计线性化工作点。目前非仿射非线性系统的容错控制相关的研究成果很少，以作者所知，只有宋永端教授2011年在自动化学报上撰写了该方面的一篇论文，但是该方法只针对SISO系统，暂未涉及MIMO系统。综上所述，现有技术存在的问题是：现有基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统主从站同步通信误差大；同时EtherCAT系统可靠性低。现有技术对节点没有进行分簇综合考虑诸多的因素，不便于控制网络的拓扑结构和数据的收集与传输。不能有效地提高数据的可靠性。不能很大程度上提高查询的成功率，还能最大化网络的生命周期，不能提高了网络能量利用率。目前非仿射非线性系统的容错控制相关的研究成果很少的问题。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统。本专利技术是这样实现的，一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统，包括：指令输入模块，与中央控制模块连接，用于输入控制指令操作；参数配置模块，与中央控制模块连接，用于对嵌入式控制系统进行参数配置；中央控制模块，与指令输入模块、参数配置模块、中央控制模块、指令解析模块、时钟分布模块、数据通信模块、故障容错模块连接，用于调度各个模块正常工作；指令解析模块，与中央控制模块连接，用于对接收控制指令代码进行解析，获取控制参数；时钟分布模块，与中央控制模块连接，用于根据FPGA的时钟信号周期性地生成分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；数据通信模块，与中央控制模块连接，用于按照通信周期将来从站交互数据封装为EtherCAT数据帧进行传输，并将来自物理层的EtherCAT数据帧解封获取信息；具体包括：1)，在无线传感器网络区域内，随机抛撒若干个无线传感器网络节点，并布置数据处理中心；其中，数据处理中心用于发起查询任务并接收目标区域的簇头传来的数据；2)，根据混合节能分布式HEED分簇算法将无线传感器网络节点分簇管理；3)，数据处理中心向目标区域发起查询任务，每个目标区域内的簇头首先通过AFTQC算法计算出该查询任务在满足服务质量要求下，且使得平均无故障时间达到最大化的最佳冗余度；4)，每个目标区域内的簇头利用计算出来的最佳冗余度向数据处理中心发送数据；5)，重复步骤2)至步骤4)，直至无线传感器网络中总能量耗尽；故障容错模块，与中央控制模块连接，用于根据泊松分布对消息发送和传输过程中的瞬时故障发生概率进行预测，分析EtherCAT的系统结构和消息传输的可靠性；故障容错模块包括：参考模型、控制器、非仿射非线性被控对象、滤波器、辅助系统；参考模型连接控制器，控制器连接非仿射非线性被控对象和滤波器，辅助系统连接控制器和非仿射非线性被控对象；分析如下非仿射非线性系统：其中：x∈Rr为状态向量，u∈Rn为输入向量，d∈Rr为未知有界的外部扰动向量，f(.)为非线性函数，由得到每个输入通道执行器失效后的故障模型表示：其中σi为未知的失效因子，σi,为定义的已知的失效因子σi的最大最小值，当σi＝1表示无故障发生，所以控制输入存在执行器失效故障表示为：u(t)＝[u1(t),u2(t),……,un(t)]T＝Σuc(t)其中Σ＝diag(σ1,…,σn)，于是故障下的非仿射非线性系统表示为：写成一般形式为：其中σ＝[σ1,…,σn]T，便于工作的开展，下面给出一个假设；假设1：f(x,uc,σ)为x，uc，σ的光滑连续可导函数，且控制输入uc有界，系统的输出参考模型为：其中：xm∈Rr为参考模型的状态向量，Am为一个稳定的参考模型系统矩阵，r∈Rl为参考模型的输入；鲁棒容错控制的目的就是设计容错控制输入uc(t)，在存在外部扰动和执行器失效故障的情况下确保||x(t)-xm(t)||≤ε；由看出，执行器故障下的非仿射非线性系统的故障参数和控制输入变量都不显含在函数中；辅助系统的实现方法包括：定义为σ的估计值，由假设1，将函数f(x,uc,σ)在附近进行一阶泰勒级数展开，得到：其中：又写成如下方程：其中：υ(t)＝ξ(t)+d(t)看出υ(t)是未知的且有界的，定义为定义ε＝z-x，其中z为状态x的观测值，观测器如下：并由如下的自适应律得出其中γ1＞0，P＝PT＞0且P是ATP+PA＝-Q的解，其中Q＝QT＞0，即A为一个Hurwitz矩阵，确保估计值处于设定的最小值σi和最大值之间，滑模项设计如下；时变参数m(t)由如下自适应律更新得到：定义失效因子估计误差为由观测器方程和方程得到观测误差动态方程为：由观测器自适应更新律和滑模项观测误差动态方程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统，其特征在于，所述基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统包括：指令输入模块，与中央控制模块连接，用于输入控制指令操作；参数配置模块，与中央控制模块连接，用于对嵌入式控制系统进行参数配置；中央控制模块，与指令输入模块、参数配置模块、中央控制模块、指令解析模块、时钟分布模块、数据通信模块、故障容错模块连接，用于调度各个模块正常工作；指令解析模块，与中央控制模块连接，用于对接收控制指令代码进行解析，获取控制参数；时钟分布模块，与中央控制模块连接，用于根据FPGA的时钟信号周期性地生成分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；数据通信模块，与中央控制模块连接，用于按照通信周期将来从站交互数据封装为EtherCAT数据帧进行传输，并将来自物理层的EtherCAT数据帧解封获取信息；具体包括：1)，在无线传感器网络区域内，随机抛撒若干个无线传感器网络节点，并布置数据处理中心；其中，数据处理中心用于发起查询任务并接收目标区域的簇头传来的数据；2)，根据混合节能分布式HEED分簇算法将无线传感器网络节点分簇管理；3)，数据处理中心向目标区域发起查询任务，每个目标区域内的簇头首先通过AFTQC算法计算出该查询任务在满足服务质量要求下，且使得平均无故障时间达到最大化的最佳冗余度；4)，每个目标区域内的簇头利用计算出来的最佳冗余度向数据处理中心发送数据；5)，重复步骤2)至步骤4)，直至无线传感器网络中总能量耗尽；故障容错模块，与中央控制模块连接，用于根据泊松分布对消息发送和传输过程中的瞬时故障发生概率进行预测，分析EtherCAT的系统结构和消息传输的可靠性；故障容错模块包括：参考模型、控制器、非仿射非线性被控对象、滤波器、辅助系统；参考模型连接控制器，控制器连接非仿射非线性被控对象和滤波器，辅助系统连接控制器和非仿射非线性被控对象；分析如下非仿射非线性系统：...

【技术特征摘要】
1.一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统，其特征在于，所述基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统包括：指令输入模块，与中央控制模块连接，用于输入控制指令操作；参数配置模块，与中央控制模块连接，用于对嵌入式控制系统进行参数配置；中央控制模块，与指令输入模块、参数配置模块、中央控制模块、指令解析模块、时钟分布模块、数据通信模块、故障容错模块连接，用于调度各个模块正常工作；指令解析模块，与中央控制模块连接，用于对接收控制指令代码进行解析，获取控制参数；时钟分布模块，与中央控制模块连接，用于根据FPGA的时钟信号周期性地生成分布时钟报文，以实现运动控制器时钟和伺服从站的时钟同步；数据通信模块，与中央控制模块连接，用于按照通信周期将来从站交互数据封装为EtherCAT数据帧进行传输，并将来自物理层的EtherCAT数据帧解封获取信息；具体包括：1)，在无线传感器网络区域内，随机抛撒若干个无线传感器网络节点，并布置数据处理中心；其中，数据处理中心用于发起查询任务并接收目标区域的簇头传来的数据；2)，根据混合节能分布式HEED分簇算法将无线传感器网络节点分簇管理；3)，数据处理中心向目标区域发起查询任务，每个目标区域内的簇头首先通过AFTQC算法计算出该查询任务在满足服务质量要求下，且使得平均无故障时间达到最大化的最佳冗余度；4)，每个目标区域内的簇头利用计算出来的最佳冗余度向数据处理中心发送数据；5)，重复步骤2)至步骤4)，直至无线传感器网络中总能量耗尽；故障容错模块，与中央控制模块连接，用于根据泊松分布对消息发送和传输过程中的瞬时故障发生概率进行预测，分析EtherCAT的系统结构和消息传输的可靠性；故障容错模块包括：参考模型、控制器、非仿射非线性被控对象、滤波器、辅助系统；参考模型连接控制器，控制器连接非仿射非线性被控对象和滤波器，辅助系统连接控制器和非仿射非线性被控对象；分析如下非仿射非线性系统：其中：x∈Rr为状态向量，u∈Rn为输入向量，d∈Rr为未知有界的外部扰动向量，f(.)为非线性函数，由得到每个输入通道执行器失效后的故障模型表示：其中σi为未知的失效因子，σi,为定义的已知的失效因子σi的最大最小值，当σi＝1表示无故障发生，所以控制输入存在执行器失效故障表示为：u(t)＝[u1(t),u2(t),……,un(t)]T＝Σuc(t)其中Σ＝diag(σ1,…,σn)，于是故障下的非仿射非线性系统表示为：写成一般形式为：其中σ＝[σ1,…,σn]T，便于工作的开展，下面给出一个假设；假设1：f(x,uc,σ)为x，uc，σ的光滑连续可导函数，且控制输入uc有界，系统的输出参考模型为：其中：xm∈Rr为参考模型的状态向量，Am为一个稳定的参考模型系统矩阵，r∈Rl为参考模型的输入；鲁棒容错控制的目的就是设计容错控制输入uc(t)，在存在外部扰动和执行器失效故障的情况下确保||x(t)-xm(t)||≤ε；由看出，执行器故障下的非仿射非线性系统的故障参数和控制输入变量都不显含在函数中；辅助系统的实现方法包括：定义为σ的估计值，由假设1，将函数f(x,uc,σ)在附近进行一阶泰勒级数展开，得到：其中：又写成如下方程：其中：υ(t)＝ξ(t)+d(t)看出υ(t)是未知的且有界的，定义为定义ε＝z-x，其中z为状态x的观测值，观测器如下：并由如下的自适应律得出其中γ1＞0，P＝PT＞0且P是ATP+PA＝-Q的解，其中Q＝QT＞0，即A为一个Hurwitz矩阵，确保估计值处于设定的最小值σi和最大值之间，滑模项设计如下；时变参数m(t)由如下自适应律更新得到：定义失效因子估计误差为由观测器方程和方程得到观测误差动态方程为：由观测器自适应更新律和滑模项观测误差动态方程全局渐近稳定，即对任意初始值ε(0)，确保limt→∞ε(t)＝0，损伤故障估计误差有界；连续化滑模项如下：其中：ρ＝ρ0+ρ1||ε||，且ρ0和ρ1为大于0的常数。2.如权利要求1所述基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统，其特征在于，所述时钟...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵忠良，黄诚，邓桂芳，刘江帆，王思婷，
申请(专利权)人：广东水利电力职业技术学院广东省水利电力技工学校，
类型：发明
国别省市：广东,44