Observers in Control Systems
详细介绍了状态观测器及其在控制系统中的应用。Observers inControl SystemsA Practical guideGeorge ellisDanaher corporation4ACADEMIC PRESSAn imprint of elsevier ScienceAmsterdam Boston London New York Oxford ParisSan Diego San Francisco Singapore Sydney TokyoThis book is printed on acid-free paper ooCopyright 2002, Elsevier Science (USA)All rightsNo part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by anymeans, electronic or mechanical, including photocopy, recording, or any informationstorage and retrieval system, without permission in writing from the publisher. Requestsfor permission to make copies of any part of the work should be mailed to thefollowing address: Permissions Department, Harcourt, Inc, 6277 Sea Harbor DriveOrlando. Florida. 32887-6777.ACADEMIC PRESSAn imprint of Elsevier Science525 B Street, Suite 1900, San Diego, CA 92101-4495, USAhttp://www.academicpress.comAcademic pr84 Theobalds Road. London WCIX 8RR. UKhttp://www.academicpress.comLibrary of congress control Number: 2002104256International Standard book Number: 0-12-237472-XPrinted in the United States of america020304050607MB987654321TO Lee Ann, my loving wife, and our daughter Gretchen, who makes us both proud.Observers in Control Systems■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■Acknowledgments■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■Safety■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■1 Control Systems and the role of observers■■■■■■■■■■■■■■■■1.1 Overviewaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa1.2 Preview of observers21.3 Summary of the book2 Control-System Background52.1 Control-System Structures52.2 Goals of control systems132.3 Visual Model Simulation Environment2. 4 Software Experiments: Introduction to Visual ModelQ182.5 Exercises393 Review of the Frequency Domain.■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■3. 1 Overview of the s-domain413.2 Overview of the z-Domain543.3 The Open-Loop Method593.4 A Zone-Based Tuning Procedure623.5 Exercises664 The Luenberger observer: Correcting SensorProblems674. 1 What Is a luenberger observer?674.2 Experiments 4A-4C: Enhancing Stability with an Observer724.3 Predictor-Corrector Form of the Luenberger Observer774. 4 Filter Form of the luenberger observer. ..................................784.5 Designing a Luenberger observer824.6 Introduction to Tuning an observer compensator9047 Exercises955 The Luenberger Observer and Model Inaccuracy... 975.1 Model Inaccuracy.........….……,975.2 Effects of Model Inaccuracy .............................................1005.3 Experimental Evaluation1025.4 Exercises1146 The Luenberger observer and disturbances1156.1 Disturbances1156.2 Disturbance Response1236.3 Disturbance DecouplingIB..-.81296.4 Exercises1387 Noise in the Luenberger Observer…,,,…,,…,…,1417.1 Noise in Control Systems1417.2 Sensor noise and the luenberger observer1457.3 Noise Sensitivity when Using Disturbance Decoupling1567. 4 Reducing Noise Susceptibility in Observer-Based Systems1617.5 Exercises1708 Using the Luenberger Observer in Motion Control1738.1 The Luenberger observers in motion Systems1738.2 Observing Velocity to Reduce Phase Lag1858.3 Using observers to Improve Disturbance Response..... 2028.4 Exercises212Referencesn213A Observer-Based resolver conversion in industrialServo Systems1■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■217B Cures for mechanical resonance in IndustrialServo Systems227Introductionaaa日aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa日aaaaa.aaaaaaaaaaaaaaa日aa227TWo-Part Transfer function228LOW-Frequency Resonance229Velocity Control Law…...8....230Methods of Correction Applied to Low-Frequency Resonance231Conc| usion.…235Acknowledgments235References235C European Symbols for Block Diagrams237Part Linear functions237Part l: nonlinear functions238D Development of the bilinear transformation241Bilinear Transformation241Prewarning242Factoring polynomials243Phase Advancing………………………,243Solutions toChapter 2245Chapter 3245Chapter 4246Chapter 5重口m口m246Chapter 6247Chapter7.….B..8..8..8...248Chapter 8249Index251AcknowledgmentsWriting a book is a large task and requires support from numerous people, and thosepeople deserve thanks. First, I thank LeeAnn, my devoted wife of more than 20 yearsShe has been an unflagging fan, a counselor, and a demanding editor. She taught memuch of what I have managed to learn about how to express a thought in ink. Thanksto my mother who was sure I would grow into someone in whom she would be proudwhen facts should have dissuaded her Thanks also to my father for his insistence thatI obtain a college education; that privilege was denied to him, an intelligent man borninto a family of modest meansI am grateful for the education provided by Virginia Tech Go Hokies. The basicsof electrical engineering imparted to me over my years at school allowed me to graspthe concepts I apply regularly today. I am grateful to Mr. Emory Pace, a toughprofessor who led me through numerous calculus courses and, in doing so, gaveme the confidence on which I would rely throughout my college career and beyondI am especially grateful to Dr Charles Nunnally; having arrived at university froma successful career in industry, he provided my earliest exposure to the practicalapplication of the material I strove to learn. I also thank Dr robert lorenz of theUniversity of Wisconsin at Madison, who introduced me to observers some years agoHis instruction has been enlightening and practical. Several of his university coursesare available in video format and are recommended for those who would like toextend their knowledge of controls. In particular, readers should consider ME 746which presents observers and numerous other subjectsI thank those who reviewed the manuscript for this book. Special thanks goes toDan Carlson for his contributions to almost every chapter contained herein Thanksalso to Eric Berg for his numerous insights. Thanks to the people of KollmorgenCorporation(now, Danaher Corporation), my long-time employer, for their continuing support in writing this book. Finally, thanks to Academic Press, especially to JoelClaypool, my editor, for the opportunity to write this edition and for editing, printing, distributing, and performing the myriad other tasks required to publish a bookX1
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AB PLC 与modbus 通信
AB PLC 与modbus 通信AB PLC 与modbus 通信AB PLC 与modbus 通信AB PLC 与modbus 通信www.PlcwoRld.cnu变频器触摸屏伺服启动气出程102Sepam2000与远程监控系统之间的通信是采用 MODBUS协议的通信方式MODBUS的通信采用的是一种主/从式数据传输,在主从结构的通信方式中有一台主机,多台从机,主机可与各个从机作双向通信,而各从机之间不能通信。主机与各个从机通信的报文形式为请求/响应帧方式。每次通信均由主机发起,不需握手。主机发出请求帧后,等待从机返回响应帧直至响应时间超时。从机只能通过提供数据响应主机的请求,或根据请求做出相应的动作。MODBUS协议定义了主札请求的格式,包括:请求的编址,要求动作的功能码,传输数据和错误校验等。请求中的编址(即地址码)提供接收主机报文霉的从机地址,从机根据地址判别是否接受该请求,用户必须设置每台从机的地址。功能编码告诉指定编址的从机完成什么样的动作。数据字段屮包含了从机执行任务时所需的附加信息。例如,功能编码03表示读取从机的保持寄存器并w毁w.91{κ其中的内容,数据区中的信息就益领诉从机从哪个寄存器开始读,需要读的寄冇器数。错淏校验字段为从杋提供了信息完整性校验的方法。同样,响N→oomo应的格式也是采用 MODBUS协议结构,从杋响应的功能编码与接受的请求的功能编码相对应,数据字段包含根据请求返回的数据,错误校验字段允许主机确认信息内容是合有效。MODBUS协议共有24种功能编码,但是并不都适用于 Sepam2000,实际应用中Sepam2000只是支持下面有限的几种:01读取输出状态02读取输入状态03读取内部寄存器内容04读取输入寄存器内容05强制单个输出状态第3页共10页www.PlcwoRld.cnu变频器触摸屏伺服启动气出程10206刷新单个寄存器内容07读取异常事件状态08诊断测试11读取计数器和状态字15强制多个输出状态16刷新多个寄存器内容如果主机希望读取2号 Sepam2000从机中寄存器0805h-080Ah的内容,则需要调用功能03。主机请求和从机响应的帧格式如下:请求帧地址功能号数据起始寄存器编址寄存器数目错误校验字段030C0506CRC16w3M9HMo应帧:WwW PLCworld cn字节数据寄存器数据寄存器错误校地址功能号计数(0805)(080A)验字段03OCDatalData6CRC16而如果主机希望刷新2号 Sepam2000从机中寄存器0810h的内容并把寄存器内容设置为1000,则需要调用功能06。主机请求和从机响应的帧格式如下:请求帧:地址功能号寄存器编址设置值错误校验字段06OCOE1000CRC16响应帧:(返回收到的请求帧)地址功能号寄存器编址设置值错误校验字段06OCOE1000CRC16第4页共10页www.PlcwoRld.cnPC变频器触挾屏伺服镦启动電气里程-1521Sepam2000的帧格式以及所执行的功能都有明确的定义,不能随意更改。在通信过程中,要确保主机和各从机的对应关系正确。此外,用户可以根据实际需要配置合适的传输波特率、宁符奇偶校验、停止位的个数等通信参数设置。四. AB PLC中 MODBUS协议的实现1.MCM模块的通信控制PROSOFT TECHNOL0GY公司的3100/3150-MOM通信模块,相当于网络接冂,PLC通过MoM模块与 MODBUS总线相连。MOM模块能快速、可靠地在 AB PLC中实现 MODBUS协议。3100/♂315σ0-MM通信模块可供用户选择使用主机模式或者从机模式。当MCM模块设定为主机,它对连接到总线上的从机进行控制,支持 MODBUS协议屮(01、02、03、04、05、06、15、16)8种功能编码,可以发送多达一百条定制的请求WM91H样am并支持以“广播”方式发出请求盖MCM模块指定为从机,它响应主机§的请求,此时能够支持 MODBUS协议中(01、02、03、04、05、06、08、15、16)9种功能编码。同时,无论是主机模式或者是从机模式,3100/3150MCM通信模趴都支持 ASCII和RTU两种传输模式当 AB PLC配置了3100/3150-MCM通信模块作为主机模式时,PLC采用周期扫描方式,按请求指令的顺序与从机交换数据。每次扫描期间,处理器使用逻辑写指令将主机内存中要输出到各从机的数据传送到3100/3150-MM通信模块屮的发送缓冲区,模块根据存储的功能指令,发送到指定的从机;而各从机响应后返回的数据,3100/3150-ⅦOM通信模块将其先存放在接收缓冲区,然后PLC使用逻辑读指令把数据移入相应的输入数据存储区。周而复始,使主机与从机中的数据得到周期性的刷新。整个数据流程如图2所示:第5页共10页www.PlcwoRld.cnu变频器触摸屏伺服启动气出程102PLC内存PLC指令MCM缓冲MCMMODBUS模式设备数据读数据:-(从机主机推令一(写)指令一主二一从参数参数配置配置图2MCM模块数据流程示意图2.MCM模块与 MODBUS的硬件连接MCM模块使用的是与RS232C兼容的标准通讯接口,但在实际应用中由于要实w{M.91耙通信,所以采用RS485方式。图3是3150-MCM模块9芯串行口与 MODBUS 8的连接图3150-MCMMODBUSTxRxD+ 9TxRxDTxRxDTxRXDRTS 7G№D5GND图33150MCM端口与 MODEUS连接示意图3.MM模块的缓冲区管理PLC与MM模块之间是通过模块输入、输出映像文件进行数据传送。PLC与数据时,将数据写入输出映像文件,然后3100/3150-MM通信模块把数据映射第6页共10页www.PlcwoRld.cnu变频器触摸屏伺服启动气出程102到相应的缓冲区位置上;PLC读数据时,根据映射地址,从输入映像文件屮读取模块缓冲区中对应地址的数据。映像文件的数据传送单位为一个50字节的数据块,PLC必须循环地一次传送一个数据块。MCM把缓冲区按数据传送的单位大小,分为若干个块,并一一标号,用块号对应起来,并且划分为三个区,分别用于数据、指令、参数设置。数据存储区从0块号开始,结束于79块号,中间有4000个字节的空间,用于存储接收的数据和发送的数据,是主札、从札交换数据的场所;指令存储区从第80块至第99块,共1000°个字节,用于存储主机模式下,模块的功能指令表,每次扫描,顺序按功能指令列表向从机发出请求帧:第25块号前40个字节则专门定义为模块设置参数存储区,用于初始化模块。在通信过程中,首先要对主机进行初始化,即对第255块号对应的缓冲区ww.91{进行参数配置,主要是定义通信端舶设置,模块缓冲区的详细划分。设置的有以下参数:N→oomo定义MCM通信模块两个独立的通讯接口设置。包括:选择主机模式或者从机模式、定义字符奇偶校验、停止位的个数,传输的波特率,响应延时等参数。〈2〉定义模块的缓冲区中冇储接收数据的数据冇储区。包括:接收数据存储区的起始块号,存储区的连续块数。③3〉定乂模块的缓洲区屮存储发送数据的数据存储区。包括:发送数据存储区的起始块号,存储区的连续块数。〈4〉定义模块的缓冲区中指令存储区。由于指令储区固定从80号数据块开始,所以只需指定存储区的块数。4.MCM模块的功能指令设置第7页共10页www.PlcwoRld.cnPC变频器触挾屏伺服镦启动電气里程-1521MCM模块处于主机模式下时,功能指令列表存放在模块缓区屮的指令存储区。主机向从札发出请求时,模块从指令存储区逐条读出功能指令,并按照MODBUS请求帧格式发送数据。指令存储区中每条功能指令的具体内容如下:1模块通信端口选择2从机的站地址。从机在接收数据时将本站编址的值与收到的站地址比较,以此判定信息是否是发给木站的。而主机在接收压则将收到的站地址与发送的站地址比较,以判断是否是正确的从机响应3指令的功能编码4源地址。即主机要发送或接收的数据在缓冲区中的起始数据地Wbn.91Hmi.com-Itwww.plcworld.Cn5数据长度。即主机要发送或接收的数据的字节数6目的地址。即从机要接收或响应的数据的寄存器地址数据的类型。用于标示读、写的数据是双字节的浮点数还是单字节的整数8轮询时间如果主机希望在1号通讯接冂读取2号 Sepam2000从机中寄存器0805h-080Ah的内容并存放到模块缓冲区第50个字节开始的连续6个字节中,功能指令内容如下:从机功能数据端口号源地址目的地址类型时间地址编码长度506080500第8页共10页www.PlcwoRld.cnu变频器触摸屏伺服启动气出程1025. AB PLC通讯程序的开发程序执行时,在第一个扫描周期,都必须设置MCM的状态,即初始化MM模块。通信程序屮,PLC在输入、输出映像文件屮为MCM缓冲区设置当前以及后续读写指针,分别指向当前MCM缓冲区数据块号,后续缓冲区数据块号。若MCM处于数据传送允许状态,即I1:1/0=1,00:1/0=0时,PLC判别当前读写指针,调用相应读写逻辑指令。如果指针指向接收数据的数据冇储区,则PC从jCM模块中接收数据:如果指针指向发送数据的数据存储区,则PLC向MCM模块发送数据;如果指针指向指令存储区,则PLC向MM模块传送功能指令,每次执行一个数据块的传送,并在传送后,把后续读写指针覆盖当前读与指针,w毁w91{M恧砟下个扫描周期进行下一个数据块的传送。PLC自动周期性扫描,按照编定的功能指令向从机的输入/输出数据进行发送/接收,以满足数据传输的要求。根据PLC的逻辑指令及MCM的通信原理,画出了图4所示的主机通信程序结构框图开始首次扫描时MCM初始化百传送允许?>是∈向接收数据区读数据指令一向发送数据区?>据[写数据指令是指向指令区?与功能指更改读写指针图4PLC程序框图第9页共10页www.PlcwoRld.cnPC变频器触挾屏伺服镦启动電气里程-1521五.结束语经过现场调试,实现了1台 AB PLC与13台 SEPAM2000组成的 MODBUS网络连接。实际应用证明,这种方式组成的系统结构简单,应用方便,能满足复杂的控制需要。参考文献3100/3150 MCM USER Manual, Pro Soft Tcchnology, 1997吵一2 AB PLC Programming Reference Manual, AB, 19973 Sepam2000 Communication protocol, Schneider, 1999W点M91HM|comWwW PLCworld cnN→oomo第10页共10页
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