文/孟飛 詹承華

EE1588 同步協(xié)議的主要想法是同步網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（客戶）的時(shí)鐘與主控制時(shí)鐘，把軟硬件緊密耦合，從而實(shí)現(xiàn)亞微秒級(jí)時(shí)間同步的精度。主要應(yīng)用于以太網(wǎng)中的設(shè)備時(shí)鐘同步，但不限于以太網(wǎng)，也能實(shí)現(xiàn)其它網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)鐘同步功能，同時(shí)結(jié)合PID 進(jìn)行相位調(diào)整的方法，使其更加精確。

1 PID的基本內(nèi)容

PID 控制是目前應(yīng)用最廣泛的控制方法。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)簡單，具有一定的穩(wěn)定性。只有三個(gè)參數(shù)需要設(shè)置：根據(jù)系統(tǒng)偏差E（t）（即設(shè)定目標(biāo)值R（t）與實(shí)際輸出值Y（t）之差），利用系統(tǒng)內(nèi)部比例、積分和微分三種計(jì)算方式，將三種功能的結(jié)果結(jié)合起來。以獲得輸出U（T）控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制效果。

在PID 控制中，比例環(huán)節(jié)的作用是按比例減小偏差值E（t）。而積分環(huán)節(jié)則是用來消除靜差，提高系統(tǒng)的精度和無差的程度，在PID 控制中，積分作用的強(qiáng)度與數(shù)值成反比；微分環(huán)節(jié)是反映偏差值變化的指標(biāo)。當(dāng)超調(diào)量過大時(shí)，可增加校正指令，防止對(duì)系統(tǒng)的不利影響，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，改善動(dòng)態(tài)特性。通過以上環(huán)節(jié)的結(jié)合，理論上可以達(dá)到較好的控制效果。PID 控制的有效性取決于數(shù)學(xué)模型的精度，但實(shí)際工程問題大多是時(shí)變非線性的，存在許多不確定性，因此傳統(tǒng)的PID 控制往往難以適應(yīng)實(shí)際工況，性能較差。

2 IEEE1588時(shí)鐘同步系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)

2.1 簡述IEEE1588時(shí)鐘同步系統(tǒng)的原理

它以主從模式工作，時(shí)鐘校準(zhǔn)是根據(jù)時(shí)鐘的同步信息完成的。主時(shí)鐘發(fā)送同步消息具有周期性，從時(shí)鐘會(huì)依據(jù)收到消息的具體的時(shí)間戳信息來計(jì)算消息傳輸?shù)臅r(shí)間、延遲甚至是主從線上的時(shí)鐘偏移量，從而對(duì)本地的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，使從時(shí)鐘與主時(shí)鐘之間保持在同一時(shí)間。在時(shí)鐘同步過程中，通過時(shí)鐘偏移以及網(wǎng)絡(luò)延遲測量這兩個(gè)相位。，在時(shí)鐘偏移量測量階段，主時(shí)鐘依次從時(shí)鐘同步消息和消息發(fā)送，接收到來自時(shí)鐘的消息并記錄時(shí)間戳。在網(wǎng)絡(luò)延遲的測量階段中，根據(jù)時(shí)鐘延遲請(qǐng)求報(bào)紙的發(fā)送以及接收對(duì)應(yīng)的通知，從而記錄發(fā)送然后接收的時(shí)間戳。當(dāng)從同步時(shí)鐘周期撥打記錄的四個(gè)要求時(shí)，計(jì)算時(shí)鐘誤差和網(wǎng)絡(luò)延遲，改變本地時(shí)鐘，重復(fù)該過程從而保持時(shí)鐘同步。

2.2 簡述IEEE1588時(shí)鐘同步系統(tǒng)的協(xié)議

（1）時(shí)鐘同步模塊分為兩部分：主控模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊，在時(shí)鐘同步模塊中，主控模塊配有微控制器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串行口以及USB 接口。網(wǎng)絡(luò)的通信模塊配置的主要控制模塊有電源的模塊、必要的GPIO 接口以及網(wǎng)絡(luò)接口模塊。應(yīng)該選擇主控制芯片STM32F107VC 因?yàn)樗芴峁㎝II 接口的。支持DP83640L 的是以太網(wǎng)的通信模塊PHY芯片，且其具有精確的時(shí)鐘同步功能。在高精度的芯片內(nèi)部，由硬件執(zhí)行時(shí)間戳功能的IEEE1588 時(shí)鐘，可以在包內(nèi)發(fā)送和接收物理播放時(shí)間標(biāo)記。無論什么樣的工作模式，都可以確定消息發(fā)送以及接收的精準(zhǔn)時(shí)間。

（2）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)和提高IEEE1588時(shí)鐘同步精度是提高時(shí)間戳精度的關(guān)鍵。并且越接近物理層，時(shí)間戳的精度越高，同步系統(tǒng)就可以達(dá)到同步精度。物理層芯片DP83640集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的能力，建立了時(shí)間戳硬件標(biāo)記時(shí)間戳（C），它能準(zhǔn)確地反映IEEE1588 報(bào)文的實(shí)際發(fā)送和接收時(shí)間，能消除協(xié)議棧的時(shí)間延遲和抖動(dòng)，從而計(jì)算出報(bào)文在傳輸端的延遲時(shí)間。任務(wù)路徑和主從時(shí)鐘偏差更準(zhǔn)確。在此基礎(chǔ)上，硬件時(shí)鐘同步模塊采用了標(biāo)簽時(shí)間戳的方法IEEE1588 協(xié)議。以GPS 時(shí)鐘為基準(zhǔn)時(shí)鐘源，并通過UDP/IP 通信系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步。

時(shí)鐘同步模塊軟件的部分，由驅(qū)動(dòng)程序、協(xié)議層、應(yīng)用層組成，完成的是底層的硬件控制、人機(jī)交互等功能，驅(qū)動(dòng)層又分為三個(gè)部分：標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)和抑制PTP的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)；協(xié)議層分為兩部分：TCP 和IP 協(xié)議，應(yīng)用層分為四部分：串行口的通信、精確時(shí)間同步、以太網(wǎng)通信、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。在協(xié)議層當(dāng)中，嵌入式TCP/IP 協(xié)議棧利用了LWLP LWLP 以太網(wǎng)協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)接收信息中的中斷響應(yīng)機(jī)制，當(dāng)MAC 接收到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，來觸發(fā)以太網(wǎng)中斷，主控芯片實(shí)行中斷功能，先進(jìn)行底層處理的功能，然后進(jìn)入P。類似的是：協(xié)議棧；應(yīng)用層協(xié)議通過協(xié)議棧發(fā)送LWLP 協(xié)議棧，讓以太網(wǎng)信息逐步傳遞到MAC 層，這稱之為處理函數(shù)的相關(guān)底層。

3 PID技術(shù)在時(shí)鐘同步系統(tǒng)中參數(shù)的整定方法

PID 參數(shù)整定的方法是采用帶kp、積分系數(shù)ki 以及微分系數(shù)kd 以完成調(diào)節(jié)器的確定。通過理論計(jì)算是可以確定的，就是誤差比較大。在目前主要采用方法是工程整定法、經(jīng)驗(yàn)法、反應(yīng)曲線法、臨界比帶法、衰減曲線法等等。本文采用就是單中的經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法，大致過程如下：

（1）給出參數(shù)值kp、ki，改變控制系統(tǒng)的給定值然后施加擾動(dòng)，進(jìn)行觀察判斷然后控制曲線的形狀。如果曲線不夠完美，就可以改變kp 或者ki，多次進(jìn)行嘗試，直到控制曲線可以完全滿足動(dòng)態(tài)過程質(zhì)量要求為止。因?yàn)樵谶@種情況下，kp 和ki 是最佳參數(shù)值。

（2）依據(jù)為kp 和ki 集再加上微分參數(shù)。因?yàn)槲⒎肿饔檬蔷哂械挚蛊钅芰Φ?，所以在確定kd 值之后，可以適當(dāng)?shù)膶⒁郧霸O(shè)置的kp和ki 值減少，多次進(jìn)行試驗(yàn)，直到kp、ki 和kd 達(dá)到最佳值為止。雖然經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)法所設(shè)定的參數(shù)是對(duì)的，但它需要更多的時(shí)間。如果先要減少時(shí)間，我們應(yīng)看一下以下幾點(diǎn)：

（1）要依據(jù)控制對(duì)象具有的特點(diǎn)確定初始得參數(shù)值kp、ki 和kd。再結(jié)合實(shí)際運(yùn)行中控制系統(tǒng)的參數(shù)值，使初始參數(shù)接近其理想值集，從而試驗(yàn)次數(shù)。

（2）在試驗(yàn)過程中，如果發(fā)現(xiàn)控制變量變化慢，不能夠快速的達(dá)到穩(wěn)定值，都是kp 過大、ki 過長造成的，兩者不同的是：kp 過大，導(dǎo)致曲線浮動(dòng)過大形成不規(guī)則變化，ki 過長，曲線會(huì)存在振蕩分量，然后接近給定值。進(jìn)而會(huì)根據(jù)曲線的形狀而改變kp 或ki。

（3）kp 和ki 臺(tái)小，而kd 過多導(dǎo)致了振蕩衰減緩慢不衰減，如果差異kp 過小，則振蕩周期短；Ki 太短的話振蕩的周期長。kd 長的話振蕩周期是最短的。

4 總結(jié)

本文首先對(duì)時(shí)鐘同步系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，然后基于MATLAB 進(jìn)行仿真建模。建立了PID 控制器，對(duì)KP、KI 和KD 參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過生成的控制曲線來評(píng)價(jià)這組參數(shù)的控制效果。在時(shí)鐘同步系統(tǒng)上對(duì)所得到的參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，減少了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間和工作量。結(jié)果令人滿意。然而，平衡中的小振蕩等問題需要改進(jìn)。在簡單的PID 控制中加入模糊控制，對(duì)PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。