近年来,随着先进工业制造系统网络化、智能化、信息化程度的提高,网络化分布式多轴运动控制系统(Distributed Networked Multiaxial Motion Control system,DNMAMCs)已成为先进制造系统的标志。先进制造系统由于网络规模的大幅增加,这类系统的设计变得愈来愈复杂,不仅仅需要考虑如时延、抖动、数据包丢失与时序错乱等网络诱导问题,还需要仔细考虑网络节点之间的通信任务调度与多轴运动控制的协调一致性问题,从而实现分布式网络化节点之间资源共享和协调操作。本文研究工作是基于依据典型工业制造系统三层结构所建立的总体设计框架下进行,即:系统应用层管理与控制DNMAMCs系统,包括系统任务规划(如服务选择与组合、服务协同),系统运行维护(如性能监视和故障侦测等);网络传输层控制数据报文的传输路径和同步实时通信任务(如状态反馈数据采集、控制命令发布等);执行层中传感器、控制器实现DNMAMCs系统某种特定的实时感知和动态控制任务。本文主要关注DNMAMCs系统中分布式网络通信协同调度和多轴运动同步控制两者的协同设计问题,相关研究内容如下:(1)针对DNMAMCs系统多跳通信结构中存在的长传输路径延时、时延抖动以及信道不对称等问题,提出了一种基于分布式时钟、时间同步技术的网络通信任务协同调度方法。该方法首先利用IEEE1588 PTP协议透明时钟机制,建立分布式时钟系统,使DNMAMCs系统获得统一的时间度量;其次,基于时分多址(Time Division Multiple Access TDMA)通信机制,通过分配分布式网络节点保障性时隙(Guaranteed Time Slot,GTS),构建DNMAMCs系统通信任务调度时间表,用于生成各网络节点通信任务控制时序。由此,将DNMAMCs系统的通信网络统一为一种时间触发的实时以太网,并将DNMAMCs系统分解为延时严格相关的多个并行分布的周期性子系统;最后,设计了一种基于Kalman滤波器和比例积分(Proportional-Integral PI)控制器的级联控制器用于改善时间同步性能。(2)针对在GTS通信任务调度时刻表框架下各运动控制回路中,状态反馈和控制命令发布之间异步协调问题,本文提出了一种基于虚拟编码的DNMAMCs系统双层结构、并行分布式协调控制方案。首先,根据系统运动任务规划,将运动轨迹分解为一系列局域控制回路期望输出参考值,用于设定各运动轴的控制信号。由此,将多轴运动控制问题转化为每个运动轴的输出跟随控制问题。其次,分别在DNMAMCs系统管理层和执行层设计了一类基于T-S型模糊神经网络预测控制器和基于RBF模糊神经网络的自适应PID控制器。其中,预测控制器逐次估计各运动轴的运行工况,更新PID控制器的设定值和相应的控制参数,PID控制器实现各运动轴系的跟随控制。本文提出的同步运动控制与通信调度协同设计方法将时钟信息集成到运动控制过程中。通过分析和计算通信任务的响应时间,可将数据传输时延、时延抖动等网络服务质量(Qo S)参数作为网络控制器的设计参数,能使设计者更好地理解、分析DNMAMCs系统的动态行为,为建立融合网络通信、分布式计算以及协同控制的DNMAMCs系统集成设计模型提供设计框架和实现方法。本文在时间同步通信调度框架下,根据跨层次任务调度表,采用基于虚拟编码的并行分布式双层结构,设计预测控制器和PID运动控制器,协同管理层的运行工况监视和执行层的运动轴控制,由此,通过各运动轴的高精度跟随控制和相互之间的同步控制,实现多轴运动控制协调一致性。最后,本文分别对多跳通信结构下时间同步精度、单轴基于虚拟主轴的跟随控制、三轴运动轨迹同步控制进行了实物仿真实验,分别检验采样周期、控制周期稳定性、运动轴的跟随性能和多轴运动的同步能力,结果验证了本文提出的方法的有效性。