[发明专利]一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于工业嵌入式控制技术领域，尤其涉及一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统。

背景技术

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。