基于CAN总线网络控制实验平台的研究与设计

论文摘要

网络控制系统以通信网络作为各个节点之间的通信媒介,是网络通信和自动控制相结合的产物。近年来,对于网络控制系统的研究已成为控制界的热点。本文主要对基于CAN总线通信网络的控制系统进行研究,侧重于CAN总线网络控制系统的实际应用,以及在CAN总线网络时延确定的基础上进行控制器性能指标的设计。首先对通信网络CAN总线进行了详细的介绍,在此基础上构建了一个实际的网络通信系统。整个网络包括三个节点,即传感器节点、控制器节点和执行器节点。传感器节点主要负责模拟信号的采集,并对采集的模拟信号进行处理,然后通过CAN总线网络传送给控制器节点；控制器节点主要负责整个网络的控制,将传感器节点传来的实际信号与预先设定信号比较,然后通过优化,输出一个合适的信号给执行器节点；执行器节点主要负责接收来自控制器节点的控制信号,并将它输出给受控对象。文中详细阐述了控制系统中三个节点的设计与实现,包括硬件设计和软件设计两部分。其次对网络控制系统的CAN总线通信网络性能进行了分析,重点论述了CAN总线通信中存在的网络时延。网络时延主要包括两部分,分别是从传感器到控制器之间的网络时延和从控制器到执行器之间的网络时延。在分析的基础上提出了捕获网络时延的方法,同时在理论上提出了单神经元自适应PID算法用于解决控制器参数的时延补偿,并对受控模型进行控制仿真,仿真结果验证了控制器设计方法的有效性。论文通过实际调试和建模仿真,形成了一个完整的网络控制系统。对于CAN总线的应用推广具有重要的价值,同时对于网络控制系统的构建和研究具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景
• 1.2 网络控制系统简介
• 1.3 网络控制系统的特点及影响因素
• 1.4 网络控制系统的研究现状
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第二章 CAN总线通讯协议
• 2.1 CAN总线介绍
• 2.1.1 CAN总线简介及其发展状况
• 2.1.2 CAN总线的性能特点
• 2.2 CAN总线的技术规范
• 2.2.1 CAN总线的位数值表示与通信距离
• 2.2.2 CAN总线的分层结构
• 2.2.3 CAN总线的报文传输及帧类型
• 第三章 CAN总线液位控制系统的硬件设计
• 3.1 总体设计方案
• 3.2 CAN总线通信网络的设计
• 3.2.1 CAN总线控制器
• 3.2.2 CAN总线驱动器
• 3.2.3 CAN通信网络电源设计
• 3.2.4 CAN总线模块电路及接口定义
• 3.3 传感器节点的设计
• 3.3.1 传感器节点的功能
• 3.3.2 AVR单片机及其外围电路
• 3.3.3 传感器电源设计
• 3.3.4 A/D转换电路设计
• 3.3.5 滤波电路的设计
• 3.4 执行器节点的设计
• 3.4.1 执行器节点作用
• 3.4.2 执行器硬件电路设计
• 3.5 控制器节点的设计
• 3.5.1 控制器节点作用
• 3.5.2 控制器节点的硬件设计
• 第四章 CAN总线液位控制系统的软件设计
• 4.1 CAN总线通信网络的软件设计
• 4.1.1 软件整体流程
• 4.1.2 CAN应用层协议的制定
• 4.1.3 SJA1000的软件设计
• 4.2 传感器节点的软件设计
• 4.2.1 传感器节点软件流程
• 4.2.2 传感器节点软件实现
• 4.3 执行器节点的软件设计
• 4.3.1 执行器节点软件流程
• 4.3.2 执行器节点软件实现
• 4.4 控制器节点的软件设计
• 4.4.1 控制器节点的软件流程
• 4.4.2 控制器节点的软件实现
• 第五章 单神经元自适应控制器的设计
• 5.1 CAN总线网络控制系统性能分析
• 5.2 CAN总线网络模型的建立
• 5.3 CAN总线网络单神经元自适应控制器的设计
• 5.3.1 神经网络与单神经元控制算法
• 5.3.2 模型仿真
• 第六章 结束语
• 6.1 设计总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 CAN总线网络控制器原理图
• 附录2 CAN总线网络控制器实物图
• 附录3 程序清单