尹涓羅福源

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院1,江蘇 南京 211156;南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院2,江蘇 南京 210016)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)光纖通信數(shù)據(jù)傳輸差錯(cuò)控制策略

尹涓1羅福源2

(南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院1,江蘇 南京 211156;南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院2,江蘇 南京 210016)

光纖通信具有速度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),但是在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模塊之間應(yīng)用光纖通信時(shí),誤碼與意外傳輸延遲會(huì)影響控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。針對此問題,根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)的特點(diǎn),提出了選擇性重傳策略與冗余數(shù)據(jù)幀傳輸策略,制訂了當(dāng)連續(xù)檢測到兩個(gè)錯(cuò)誤幀或者超過最大允許時(shí)延沒有接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)立即停機(jī)的應(yīng)急措施,并給出了基于增廣矩陣求解該最大允許時(shí)延的計(jì)算方法。耐久性試驗(yàn)表明所提出的策略與方法正確有效,能夠保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。

運(yùn)動(dòng)控制 光纖通信 誤碼率 差錯(cuò)控制 冗余數(shù)據(jù)幀 最大允許時(shí)延

0 引言

隨著運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)朝著高速度、高精度、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展,如何在控制系統(tǒng)的控制器、傳感器和執(zhí)行器三大模塊之間進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)傳輸成為新興的研究熱點(diǎn)[1-2]。在集散式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,傳感器和執(zhí)行器分布在與控制器相距較遠(yuǎn)的物理位置[3],如果使用普通的通信電纜進(jìn)行長距離數(shù)據(jù)傳輸,則由于電磁干擾、信號衰減、時(shí)鐘歪斜等,難以實(shí)現(xiàn)高速傳輸。光纖通信具有傳輸頻帶寬、通信容量大、中繼距離長、電磁干擾免疫力強(qiáng)、連接件緊湊等優(yōu)點(diǎn)[4],因此,使用光纖作為通信介質(zhì)在傳感器和控制器之間以及執(zhí)行器和控制器之間建立高速串行數(shù)據(jù)傳輸信道,不僅能夠滿足高速高精度控制的要求,還使得系統(tǒng)連線簡潔,層次清晰,易于開發(fā)和維護(hù)。

然而,在這種基于光纖通信的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,存在兩種可能的數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤:一是傳輸數(shù)據(jù)流中含有錯(cuò)誤的比特,即誤碼;二是傳輸延遲時(shí)間超出了允許的范圍。對這兩種錯(cuò)誤,如果不加以檢測和控制,必將影響控制精度,甚至危及到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文從控制理論的角度分析了這兩種錯(cuò)誤的形成原因及其對運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的影響,并根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)的特點(diǎn)提出了相應(yīng)的差錯(cuò)控制策略。

1 誤碼率與差錯(cuò)控制

1.1 誤碼率與MTBF的關(guān)系

誤碼率(bit error rate,BER)是衡量信道傳輸可靠性的重要指標(biāo),它等于錯(cuò)誤接收的比特?cái)?shù)與傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)的比率。當(dāng)通信鏈路中的發(fā)送器與接收器直接相連并按照正確的參數(shù)工作時(shí),誤碼率為零[5]。隨著諸如光電轉(zhuǎn)換器、光纖、光纖收發(fā)器、連接器等其他元器件加入到光纖通信鏈路中,信號產(chǎn)生衰減、散射、抖動(dòng)和直流偏移等失真現(xiàn)象,誤碼率開始上升。一般用于高可靠性數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的光纖信道,其誤碼率要求小于10-12。更小的誤碼率意味著更高的成本,而且誤碼率不可能為零。當(dāng)誤碼率與時(shí)間相關(guān)聯(lián)時(shí),利用式(1)可以折算出平均無故障時(shí)間(mean time between failures,MTBF)。

式中:Pe為誤碼率;Br為波特率。

對于一個(gè)誤碼率為10-12的光纖信道,如果數(shù)據(jù)傳輸速度為200 Mbit/s,那么平均無故障時(shí)間為1.38 h,即平均1.38 h就將出現(xiàn)一個(gè)比特錯(cuò)誤;如果數(shù)據(jù)傳輸速度為400 Mbit/s,那么平均0.69 h就將出現(xiàn)一個(gè)比特錯(cuò)誤;而且數(shù)據(jù)傳輸有可能在比平均時(shí)間更短的時(shí)間間隔內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)比特錯(cuò)誤。

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,當(dāng)檢測到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)時(shí),立刻采取緊急停機(jī)的措施是不可取的,但是含有誤碼的數(shù)據(jù)可能與準(zhǔn)確發(fā)送的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn),乃至引起執(zhí)行器的錯(cuò)誤動(dòng)作或極大的運(yùn)動(dòng)偏差,所以此種誤碼數(shù)據(jù)不應(yīng)該用于運(yùn)動(dòng)控制。因此,根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)的特點(diǎn),建立一種差錯(cuò)控制機(jī)制,保證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)各模塊之間長時(shí)間的可靠數(shù)據(jù)傳輸極為必要。

1.2 重傳與前向糾錯(cuò)可行性分析

目前,在數(shù)字通信系統(tǒng)中,從含有誤碼的數(shù)據(jù)中恢復(fù)出正確的數(shù)據(jù)有三種策略[6]:一是重新傳輸出錯(cuò)的數(shù)據(jù),二是采用前向糾錯(cuò)技術(shù),三是混合糾錯(cuò)技術(shù),即當(dāng)前向糾錯(cuò)無法恢復(fù)正確數(shù)據(jù)時(shí)再請求重新傳輸。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng),采用重新傳輸策略將增加一個(gè)來回的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延,在采樣周期很小的情況下,系統(tǒng)不允許這種時(shí)延。此外,對于傳感器模塊來說,除非它保存有一份最近采樣的數(shù)據(jù)拷貝,否則要想重新傳輸就要重新采樣,這無形中又增加了采樣時(shí)延。更嚴(yán)重的是,由于被控對象是時(shí)間連續(xù)變化的,所以重新采樣得到的數(shù)據(jù)并不同于原先傳送的數(shù)據(jù),但是重傳數(shù)據(jù)的接收方——數(shù)字控制器將無視這個(gè)差別,并仍沿用固定的采樣周期和控制律進(jìn)行計(jì)算,這將導(dǎo)致較大的計(jì)算誤差甚至錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果。例如,在式(2)所示的PID控制算法[7]中,重新采樣計(jì)算得到的控制偏差e(k)與上一周期正常采樣計(jì)算得到的控制偏差e(k-1)之間的采樣時(shí)間間隔不再是采樣周期T,但控制器會(huì)不加區(qū)別地使用式(2)計(jì)算控制器輸出u(k),顯然計(jì)算結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

式中:k為采樣序號,k=0,1,2,…;u(k)為第k次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;Kp為比例常數(shù);e(k)為第k次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;e(k-1)為第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;T為控制周期;Ti為積分時(shí)間常數(shù);Td為微分時(shí)間常數(shù)。

據(jù)此分析,重新傳輸策略在高速高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中是不可取的。前向糾錯(cuò)技術(shù)相對先進(jìn),避免了重傳數(shù)據(jù)的時(shí)延,也不存在重新采樣的危害,但是要糾正的誤碼越多,相應(yīng)的編碼和解碼的算法越復(fù)雜,所導(dǎo)致的時(shí)延也就越長,因此,前向糾錯(cuò)也不是理想的策略?；旌霞m錯(cuò)技術(shù)可以取得較小的平均時(shí)延和計(jì)算復(fù)雜度,但是當(dāng)需要重新傳輸時(shí),還是會(huì)不可避免地產(chǎn)生較長的時(shí)延?？傊?前述三種在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信領(lǐng)域廣泛使用的差錯(cuò)控制策略難以滿足運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

1.3 選擇性重傳策略

數(shù)字閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以周期性的反饋控制為特征,控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是周期性數(shù)據(jù),比如來自傳感器模塊的位置和速度采樣數(shù)據(jù),傳送到驅(qū)動(dòng)器模塊進(jìn)行DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)的伺服控制數(shù)據(jù)等。此外,控制系統(tǒng)中寄存器初始化、參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程復(fù)位、隨機(jī)狀態(tài)查詢、模式切換等運(yùn)動(dòng)控制指令主要是非周期性數(shù)據(jù),它一般對準(zhǔn)確性要求十分嚴(yán)格,但對實(shí)時(shí)性的要求比周期性數(shù)據(jù)弱一些,在采樣周期很小的情況下,延遲一個(gè)采樣周期是可以接受的。通過分析運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)的特點(diǎn),可以采用選擇性重傳策略降低誤碼率,即可以針對周期性和非周期性數(shù)據(jù)采取不同的重傳策略。

1.3.1 組織數(shù)據(jù)幀

在系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)把運(yùn)動(dòng)控制模塊之間需要傳輸?shù)乃锌刂茢?shù)據(jù),無論是周期性還是非周期性的,按照發(fā)送方和接收方約定的數(shù)據(jù)幀格式封裝成一個(gè)數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀格式的內(nèi)容包括幀頭定義、幀開始標(biāo)志、幀結(jié)束標(biāo)志、校驗(yàn)碼計(jì)算公式以及每個(gè)控制量在數(shù)據(jù)幀中所處的相對位置、占用的數(shù)據(jù)長度以及在內(nèi)存中的映射地址等。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在每個(gè)采樣周期均發(fā)送長度固定的數(shù)據(jù)幀,當(dāng)非周期性數(shù)據(jù)為空時(shí)仍與周期性數(shù)據(jù)一同周期性地傳輸,以保證傳輸時(shí)延的恒定。如圖1所示為一個(gè)簡單而完整的數(shù)據(jù)幀格式,它包含了一個(gè)幀頭和兩個(gè)數(shù)據(jù)段。

圖1 數(shù)據(jù)幀格式舉例示意圖Fig.1 Example of data frame format

圖1中,L為幀長度,CHS為求和校驗(yàn)碼,其計(jì)算公式為:

式中:n為數(shù)據(jù)段號(幀頭中n=0);“～”為按位取反運(yùn)算符;byte[i]為一個(gè)32位數(shù)據(jù)的第i個(gè)字節(jié)(i=0, 1,2,3)。

1.3.2 數(shù)據(jù)確認(rèn)機(jī)制

接收方在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)通過校驗(yàn)碼驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性。如驗(yàn)證結(jié)果為數(shù)據(jù)有誤,則拒收當(dāng)前整個(gè)數(shù)據(jù)幀,并向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)表明數(shù)據(jù)有誤的否認(rèn)幀,如圖2所示;如驗(yàn)證結(jié)果為數(shù)據(jù)無誤,則完整地執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制命令,并向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)表明數(shù)據(jù)已經(jīng)正確接收的確認(rèn)幀,如圖3所示。由于確認(rèn)機(jī)制的引入,運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器和控制器模塊之間以及傳感器和控制器模塊之間需要建立點(diǎn)對點(diǎn)全雙工光纖通信。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤的處理過程Fig.2 The processing for fallacious data transmission

圖3 數(shù)據(jù)傳輸正確的處理過程Fig.3 The processing for correct data transmission

1.3.3 選擇性重傳

發(fā)送方無論收到確認(rèn)幀還是否認(rèn)幀,均不立即重新傳輸數(shù)據(jù),而是分別對周期性和非周期性數(shù)據(jù)采取不同方式組織數(shù)據(jù)幀,在下一周期進(jìn)行處理。如圖2所示,如果發(fā)送方收到的是否認(rèn)幀,則認(rèn)為接收方?jīng)]有執(zhí)行非周期性運(yùn)動(dòng)控制指令,而忽略上一周期的周期性數(shù)據(jù),在下一個(gè)周期,把上一周期尚未執(zhí)行的非周期性數(shù)據(jù)與本周期正常更新的周期性數(shù)據(jù)組織成一個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。如圖3所示,如果發(fā)送方收到的是表明數(shù)據(jù)無誤確認(rèn)幀,則認(rèn)為接收方已經(jīng)執(zhí)行了非周期性運(yùn)動(dòng)控制指令與周期性數(shù)據(jù),在下一個(gè)周期,正常發(fā)送下一周期的數(shù)據(jù),并且發(fā)送方修改非周期性數(shù)據(jù)中要求執(zhí)行的標(biāo)志,以避免接收方重復(fù)執(zhí)行相同的指令?；蛘?發(fā)送方對執(zhí)行標(biāo)志不作任何修改,而讓接收方根據(jù)內(nèi)部狀態(tài)決定是否要執(zhí)行接收到的非周期性控制指令,這樣也可以達(dá)到避免重復(fù)執(zhí)行的目的。表面上,無論哪一種方法,數(shù)據(jù)都沒有重新傳輸,實(shí)質(zhì)上周期性傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀中的非周期性數(shù)據(jù)已經(jīng)被多次重新傳輸了,所以這是一種較為隱蔽的選擇性重傳策略。

1.3.4 必要的應(yīng)急措施

在誤碼率小于10-12的情況下,重新發(fā)送的非周期性數(shù)據(jù)幾乎不會(huì)再出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤的情況,這樣經(jīng)過重新傳輸之后,非周期性數(shù)據(jù)就能夠被無遺漏地準(zhǔn)確執(zhí)行。一般認(rèn)為除非是光纖通信鏈路工作不正常,比如光纖收發(fā)器出現(xiàn)故障,連續(xù)出現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單獨(dú)出現(xiàn)一個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤的概率,所以當(dāng)連續(xù)兩次檢測到數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤時(shí),應(yīng)當(dāng)采取緊急停機(jī)措施。具體實(shí)現(xiàn)辦法是,任何模塊在連續(xù)兩次檢測到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)幀時(shí),立即通過專門的電流環(huán)路向執(zhí)行器報(bào)告,后者瞬間禁止電機(jī)功率放大器工作,以防止電機(jī)的錯(cuò)誤運(yùn)行,如圖4所示。

圖4 電流環(huán)路傳遞緊急信號示意圖Fig.4 Emergency signal transmission through circuit loop

當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的光纖通信鏈路按照上述通信策略運(yùn)行時(shí),如果某個(gè)模塊檢測到單獨(dú)一個(gè)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò),系統(tǒng)不會(huì)緊急停機(jī),也不會(huì)重新傳輸出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀中的周期性數(shù)據(jù),即出現(xiàn)了幀丟失。當(dāng)幀丟失發(fā)生在執(zhí)行器模塊時(shí),當(dāng)前周期的零階保持器的輸入將保持不變;當(dāng)幀丟失發(fā)生在控制器模塊時(shí),當(dāng)前周期的反饋狀態(tài)將保持不變。據(jù)此可以建立數(shù)學(xué)模型,定量地分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]給出了存在時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性判定方法。由于在高速高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,采樣周期很小,光纖通信誤碼率也非常小,系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境要比網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)優(yōu)越得多,因而可以得出上述選擇性重傳策略不會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的結(jié)論。另外,因?yàn)椴蓸又芷诤苄?相鄰周期的兩個(gè)反饋狀態(tài)數(shù)值相差不大,可以把發(fā)生幀丟失時(shí)的反饋狀態(tài)沒有得到更新的情況視為系統(tǒng)受到了極小的噪聲干擾。所以從伺服控制的原理可知,上述選擇性重傳策略不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定精度。

1.4 冗余數(shù)據(jù)幀策略

盡管這樣,出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀中的周期性數(shù)據(jù)沒有得到更正是令人遺憾的。分析數(shù)據(jù)幀的傳輸情況可知,在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中,包含反饋狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)幀總是周期性地傳輸?shù)?而且數(shù)據(jù)幀相當(dāng)短,數(shù)據(jù)幀之間大量充斥著同步狀態(tài)字符,光纖通信鏈路的帶寬沒有得到充分利用。據(jù)此特點(diǎn),通信系統(tǒng)可以改用以下冗余數(shù)據(jù)幀傳輸策略。

1.4.1 組織和發(fā)送數(shù)據(jù)幀

按照1.3所述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的組織和發(fā)送。數(shù)據(jù)幀的格式及校驗(yàn)方法完全相同,所不同的是,在每個(gè)采樣周期發(fā)送兩個(gè)相同的數(shù)據(jù)幀。后一個(gè)數(shù)據(jù)幀是前一個(gè)數(shù)據(jù)幀的拷貝,即冗余數(shù)據(jù)幀。為了提高同步性能,在這兩個(gè)數(shù)據(jù)幀之間插入兩個(gè)同步字符。

1.4.2 數(shù)據(jù)確認(rèn)機(jī)制

接收方接收到數(shù)據(jù)時(shí)首先驗(yàn)證第一個(gè)數(shù)據(jù)幀的正確性。如果第一個(gè)數(shù)據(jù)幀無誤,就采納其中的數(shù)據(jù);如果有誤,就拒收整個(gè)數(shù)據(jù)幀,再去驗(yàn)證后面的第二個(gè)數(shù)據(jù)幀。如果第二個(gè)數(shù)據(jù)幀無誤,就采納其中的數(shù)據(jù)。為了保證在不同情況下傳輸時(shí)延嚴(yán)格一致,無論第一個(gè)數(shù)據(jù)幀有無錯(cuò)誤,接收方在驗(yàn)證兩個(gè)數(shù)據(jù)幀之后才真正接收運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)。如果兩個(gè)數(shù)據(jù)幀都有誤,就采取緊急停機(jī)措施。根據(jù)1.3中的分析,在誤碼率小于10-12的情況下,連續(xù)兩個(gè)數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤的概率是相當(dāng)小的,正常工作的光纖通信鏈路幾乎不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

上述冗余數(shù)據(jù)幀策略不僅可以保證周期性和非周期性數(shù)據(jù)都被準(zhǔn)確無誤地傳輸,而且避免了重新傳輸導(dǎo)致的時(shí)間浪費(fèi),省去了確認(rèn)幀和否認(rèn)幀的發(fā)送和應(yīng)答過程,具有更好的實(shí)時(shí)性。因?yàn)閿?shù)據(jù)幀長度仍然是固定的,所以不會(huì)造成忽大忽小的傳輸時(shí)延。該策略的代價(jià)是冗余的數(shù)據(jù)幀使得數(shù)據(jù)幀的總長度增加了一倍。但是因?yàn)閷?shí)際的數(shù)據(jù)幀相當(dāng)短,冗余數(shù)據(jù)幀引起的幀發(fā)送、驗(yàn)證、接收時(shí)延是微不足道的。由于沒有任何一幀數(shù)據(jù)丟失,控制系統(tǒng)的性能完全不受到影響。

2 最大允許時(shí)延及其控制策略

當(dāng)光纖斷裂、光纖接頭被誤拔、控制器的計(jì)算程序陷入死循環(huán)或者耗時(shí)的中斷處理等情況出現(xiàn)時(shí),光纖鏈路的接收方將長時(shí)間收不到數(shù)據(jù)幀。如果這個(gè)時(shí)延超過一定的范圍,控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)受到影響。上述差錯(cuò)控制策略不能有效防止這個(gè)問題。因此,需要補(bǔ)充一個(gè)規(guī)定,即如果執(zhí)行器模塊或控制器模塊在最大允許時(shí)延范圍內(nèi)沒有收到任何數(shù)據(jù)幀,系統(tǒng)就采取緊急停機(jī)措施。如果借助李亞普諾夫穩(wěn)定性判據(jù)求取最大允許時(shí)延,則存在尋找正定矩陣的困難[9],而使用連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)模型求解又不符合離散控制系統(tǒng)的實(shí)際情況,因此這里使用下面的方法來求取。

設(shè)控制輸入當(dāng)且僅當(dāng)t=mNTs(m,N都是正整數(shù))時(shí)刻得到更新,其他時(shí)刻因?yàn)楣饫w通信鏈路不正常而收不到數(shù)據(jù)包,這時(shí)由于零階保持器的作用,控制輸入將維持N個(gè)周期不變化,即:

聯(lián)立式(4)和式(5),可得到由N個(gè)狀態(tài)方程構(gòu)成的方程組(6):

當(dāng)t=(m+1)NTs時(shí),控制輸入被更新,故有:

令:

可得到增廣矩陣方程如式(9)所示。

對應(yīng)的輸入增廣矩陣方程為:

式(9)得:

其中,Gd=Ed-KdFd。因?yàn)槭?11)實(shí)際上由N個(gè)狀態(tài)方程構(gòu)成,故其對應(yīng)的特征方程為det[zNI-Gd]= 0。設(shè)θj(j=1,2,…,N)為方陣Gd的特征值,則系統(tǒng)的實(shí)際特征值為:

表1 時(shí)延增加對矩陣特征值幅值的影響Tab.1 The delay influence on the amplitude of matrix eigen value

由表1可見,λ隨著N增加而慢慢增大,當(dāng)N＞24時(shí),λ≥1。故保持系統(tǒng)穩(wěn)定允許的最大時(shí)延是23個(gè)采樣周期,即(N-1)Ts=(24-1)Ts=23Ts=0.023 s。

求出最大允許時(shí)延,即可通過在執(zhí)行器模塊和控制器模塊內(nèi)設(shè)置定時(shí)器的方法來實(shí)現(xiàn)控制策略。

3 結(jié)束語

結(jié)合控制理論和通信原理,提出了兩種適合于高速高精度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的光纖通信差錯(cuò)控制策略:選擇性重傳和冗余數(shù)據(jù)幀傳輸。規(guī)定當(dāng)連續(xù)接收到兩個(gè)錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)幀或者超過最大允許時(shí)延沒有接收到數(shù)據(jù)幀時(shí),必須采取緊急停機(jī)措施,并從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性出發(fā)論證了這兩項(xiàng)規(guī)定的合理性,給出了求取最大允許時(shí)延的計(jì)算方法。所提出的控制策略與方法已經(jīng)在自主研發(fā)的基于DSP與FPGA的多軸閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中成功實(shí)施。經(jīng)過長達(dá)一星期不間斷的耐久性試驗(yàn)后,該運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)仍然能夠穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,未發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸故障。當(dāng)光纖插頭被不慎拔掉時(shí),系統(tǒng)能夠立即進(jìn)入停機(jī)保護(hù)狀態(tài),并在光纖插頭被重新插入后自動(dòng)復(fù)位。這證明所提出的控制策略是正確有效的,能夠保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行,對于延長平均無故障時(shí)間以及防止錯(cuò)誤操作損壞機(jī)器起到了重要作用。

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Control Strategy for Data Transmission Error of Optical Fiber Communication in Motion Control System

Optical fiber communication features high speed and good anti-electromagnetic interference capability,but when optical fiber is used in communication between modules of motion control system,bit errors and unanticipated transmission delays may affect the reliability and stability of the control system.Aiming at this problem,in accordance with the characteristics of the data in motion control,selective retransmission strategy and redundant data frame transmission strategy are proposed;and the emergency response measures are drawn up,i.e., when two error frames have been detected,or no data frame is received after maximum allowable delay is exceeded,the system will shut down immediately;and the calculation method based on augmented matrix for solving the maximum allowable delay is given.The durability test shows that the strategies proposed are correct and effective,long term and stable operation of the system can be guaranteed.

Motion control Optical fiber communication Bit error rate Failing control Redundant data frame Maximum allowable delay

TP273

A

國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(編號:501205200);

江蘇省自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(編號:BK2012388);

江蘇省高校自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(編號:14KJB460017)。

修改稿收到日期:2014-08-02。

尹涓(1976-),女,2004年畢業(yè)于廣西大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,講師;主要從事數(shù)控系統(tǒng)及仿真、智能機(jī)器人、可編程控制器與機(jī)電一體化技術(shù)的研究。