[发明专利]一种基于EtherCAT总线的工业嵌入式控制系统

摘要

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。

主权项

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σ_i为未知的失效因子，σ_i,为定义的已知的失效因子σ_i的最大最小值，当σ_i＝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,…,σ_n)，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,u_c,σ)为x，u_c，σ的光滑连续可导函数，且控制输入u_c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,u_c,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＝P^T＞0且P是A^TP+PA＝‑Q的解，其中Q＝Q^T＞0，即A为一个Hurwitz矩阵，确保估计值处于设定的最小值σ_i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lim_t→∞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。