基于TrueTime工具箱的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究

1、基于TrueTime工具箱的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究Simulation Research of Networked Control System Based on TrueTime 何堅(jiān)強(qiáng) 張煥春 He ，Jianqiang, Zhang，Huanchuen摘要：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式控制系統(tǒng)，是融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)。結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，本文介紹了具有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真功能的基于 Matlab的TrueTime工具箱，給出了具有時(shí)延特征的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制與調(diào)度仿真結(jié)果。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；TrueTime工具箱；實(shí)時(shí)控制；延時(shí)中圖分類號(hào)：TP13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

2、Abstract: Networked control system is a comprehensive control system based on network ,it combines computer、telecommunication and control technology. TrueTime is a MATLAB -based toolbox，which facilitates the simulation of networked control system, a example of simulation is introduced , some control

3、 performance and Network Schedule of networked control system with time delay are showed here.Keywords: networked control system, TrueTime toolbox, real time control, and time delay1、 引言網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS（networked control system）是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)，融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)與控制技術(shù)1，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、集成化、節(jié)點(diǎn)智能化的發(fā)展趨勢，是控制界研究的一個(gè)熱點(diǎn)之一。盡管網(wǎng)絡(luò)

4、控制系統(tǒng)理論還不夠成熟，但是利用現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域、樓宇自動(dòng)化等方面得到了廣泛應(yīng)用。目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的理論研究落后于實(shí)際應(yīng)用，因此迫切需要對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)理論進(jìn)行系統(tǒng)地研究，TrueTime工具箱的出現(xiàn)，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究提供了很好的研究工具，本文結(jié)合網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)實(shí)例，介紹了TrueTime工具箱結(jié)構(gòu)、功能與使用。2、 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)概述網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)利用串行通信網(wǎng)絡(luò)在分布化的設(shè)備之間進(jìn)行信息和控制信號(hào)的交換，當(dāng)一個(gè)控制系統(tǒng)通過串行通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制回路時(shí)，就構(gòu)成為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)2，通信能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。圖1所示為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的組成示意，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)往

5、往由多個(gè)子控制系統(tǒng)構(gòu)成,通信通道為系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備共有，智能化輸入/輸出（I/O）設(shè)備如傳感器、驅(qū)動(dòng)器與控制設(shè)備都通過串行通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息的共享。由現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的系統(tǒng)都屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。其它節(jié)點(diǎn)執(zhí)行器1 A.2對象 1傳感器 1通信網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行器 2對象 2控制器Computer傳感器2圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，因此研究的內(nèi)容如控制算法、控制及時(shí)性、穩(wěn)定性等具有網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，因此使得系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)更具有復(fù)雜性，主要表現(xiàn)在傳輸時(shí)間延時(shí)上。系統(tǒng)的時(shí)延主要包含兩個(gè)方面，一為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備之間信息交換與處理所需時(shí)間，包括傳感器到控

6、制器的延時(shí)與控制器到傳感器的延時(shí)，因系統(tǒng)中的信息資源多，對于網(wǎng)絡(luò)通道而言，每次只能夠傳輸包含一種設(shè)備的信息，這種時(shí)延或?yàn)槌?shù)或?yàn)闀r(shí)變量，二為網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)信息傳輸通道，因此在信息傳送時(shí)，存在信息的碰撞、丟失和重發(fā)現(xiàn)象，這給系統(tǒng)的通信帶來了限制，影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)性能得不到保證。對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度與控制方法進(jìn)行研究是重要的研究方向，可以充分利用有限的網(wǎng)絡(luò)資源，滿足控制任務(wù)的時(shí)間約束要求與性能要求。3、 TrueTime工具箱結(jié)構(gòu)與功能3.1結(jié)構(gòu)與功能Eker J. and Cervin A3 開發(fā)了基于Matlab/Simlink的TrueTime工具箱。TrueTime工具箱

7、包括了TrueTime 圖2 TrueTime模塊接口Computer與TrueTime Network兩個(gè)接口模塊，如圖2所示。計(jì)算機(jī)模塊具有靈活的實(shí)時(shí)內(nèi)核，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，網(wǎng)絡(luò)接口和外部通道。計(jì)算機(jī)模塊按照用戶定義的任務(wù)執(zhí)行，代碼采用Matlab或C+編寫。中斷句柄代表I/O任務(wù)，控制算法和網(wǎng)絡(luò)接口，網(wǎng)絡(luò)模塊采用事件驅(qū)動(dòng)方式，當(dāng)有消息進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)模塊執(zhí)行工作。消息包含發(fā)送和接收計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的信息、用戶數(shù)據(jù)（如測量信號(hào)或控制信號(hào)）、傳送時(shí)間和可選擇的實(shí)時(shí)特性（如優(yōu)先級或時(shí)限）。包括節(jié)點(diǎn)數(shù)、網(wǎng)絡(luò)速度、媒體訪問控制協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等參數(shù)，兩種模塊采用事件驅(qū)動(dòng)方式，執(zhí)行決定于內(nèi)、外事件，用戶

8、定義的任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)模塊按選定方式工作，參數(shù)設(shè)定包括節(jié)點(diǎn)數(shù)目、傳輸速率，媒體訪問控制協(xié)議和其他參數(shù)，其中媒體訪問控制協(xié)議包括CSMA/ CD（隨機(jī)載波監(jiān)聽/沖突檢測）、CSMA/ CA（載波監(jiān)聽多路獲取/沖突避免）、TDMA（時(shí)分多路復(fù)用）、FDMA（頻分多路復(fù)用）或round robin等方式。 兩種模塊都采用事件驅(qū)動(dòng)方式工作，任務(wù)執(zhí)行取決于內(nèi)部事件（如定時(shí)到、任務(wù)完成等）與外部事件（如信息到達(dá)網(wǎng)絡(luò)）。調(diào)度器與監(jiān)控器的輸出用于顯示仿真過程中公共資源（CPU、監(jiān)控器、網(wǎng)絡(luò)）的分配。TrueTime具有很強(qiáng)的功能，可以用于（1）用于研究因強(qiáng)占或者傳輸延時(shí)等時(shí)間不定性對控制性能的影響；（2）基于測量實(shí)

9、際時(shí)變，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制器，用于系統(tǒng)的補(bǔ)償；（3）進(jìn)行新的更加靈活的動(dòng)態(tài)調(diào)度方法實(shí)驗(yàn)，如CPU時(shí)間和通信帶寬的反饋調(diào)度和基于QoS的調(diào)度方法；（4）用于仿真事件驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)等方面的研究。3.2 初始化使用TrueTime進(jìn)行仿真時(shí)，首先要對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)模塊TrueTime Network和各個(gè)節(jié)點(diǎn)即計(jì)算機(jī)模塊TrueTime Computer進(jìn)行初始化，初始化涉及輸入和輸出端口的數(shù)目，選擇優(yōu)先級函數(shù)、定義代碼函數(shù)、建立線程與中斷句柄等。表1 偽碼舉例ttAnalogIn（ch）ttAnalogOut（ch，val）ttSendMsg（rec，data，len）ttGetMsg（）tt

10、Wait（ev）ttCreateTimer（time，ih）ttSetPriority（val）從輸入通道取值設(shè)定輸出通道值在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送信息從網(wǎng)絡(luò)輸入隊(duì)列中獲取消息等一個(gè)事件在指定時(shí)間觸發(fā)中斷句柄改變?nèi)蝿?wù)優(yōu)先級 初始化時(shí)，用戶首先要設(shè)置各種參數(shù)，并且編寫各種代碼函數(shù)實(shí)現(xiàn)所需功能，代碼可以采用Matlab語言或者C+編寫，編寫代碼可通過調(diào)用偽碼完成，在計(jì)算機(jī)內(nèi)核中提供了一組能夠被用戶調(diào)用的實(shí)時(shí)偽碼，表1給出了部分偽碼示例，編寫的代碼用于創(chuàng)建各種任務(wù)與網(wǎng)絡(luò)中斷句柄，本文的初始化涉及多個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化問題。初始化中計(jì)算機(jī)內(nèi)核與網(wǎng)絡(luò)是兩個(gè)基本的初始化內(nèi)容，分別采用了ttInitKernel(nbrInp

11、, nbrOutp, prioFcn)與ttInitNetwork(nodenumber, handlername)形式表示。ttInitKernel中nbrInp為輸入通道的數(shù)目，nbrOutp為輸出通道的數(shù)目，prioFcn為采用的調(diào)度策略，而ttInitNetwork中nodenumber 為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的地址， handlername 為被調(diào)用的中斷句柄名，如ttInitKernel(1, 0, 'RM')表示采用了RM（單調(diào)速率）調(diào)度策略。如網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)4控制器初始化為ttInitNetwork(4, 'msgRcv')。 4、 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究4.1

12、仿真模型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊和多個(gè)計(jì)算機(jī)模塊構(gòu)成，計(jì)算機(jī)模塊作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)使用。圖3為運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下直流電機(jī)控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及與對象組成，系統(tǒng)中還加入了干擾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制研究，下面對網(wǎng)絡(luò)傳輸引起時(shí)延對系統(tǒng)的影響進(jìn)行了仿真。圖3控制系統(tǒng)仿真模型4.2 具有時(shí)延的NCS仿真網(wǎng)絡(luò)模塊的參數(shù)設(shè)置為CSMA/CA（CAN），節(jié)點(diǎn)數(shù)4個(gè)，調(diào)度采用了prioFP策略，數(shù)據(jù)速率為 1000000 (bits/s)， 仿真系統(tǒng)可以通過Proprocessing delay（發(fā)送時(shí)延）與Postprocessing delay（接收時(shí)延）進(jìn)行傳輸時(shí)延的設(shè)定。由于時(shí)延增加，

13、系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。圖4所示給出了網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延為0.001s的系統(tǒng)變化曲線，由于存在傳輸時(shí)延，系統(tǒng)振蕩加強(qiáng)，性能降低，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的處理時(shí)延會(huì)對系統(tǒng)性能產(chǎn)生很大的影響，如何設(shè)計(jì)一個(gè)能夠補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的控制器是大家所關(guān)心的問題，這里采用調(diào)整控制器參數(shù)方法進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。（a）時(shí)延系統(tǒng) （b） 補(bǔ)償后 圖4 時(shí)延網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的變化曲線該調(diào)節(jié)方法是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)的變化進(jìn)行控制器參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。先將網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延與控制器參數(shù)之間關(guān)系列表處理，本文采用PD控制，即將控制器參數(shù)比例系數(shù)K與微分時(shí)間Td與時(shí)延進(jìn)行列表處理?？刂茣r(shí)，通過控制器決定從傳感器到控制器的傳輸時(shí)延，然后根據(jù)時(shí)延值估計(jì)出控制系統(tǒng)的傳輸總時(shí)延，

14、根據(jù)時(shí)延值查表得出對應(yīng)的控制器參數(shù)K與Td，通過控制計(jì)算輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制，圖4（b）為補(bǔ)償后的系統(tǒng)曲線。4.3 NCS的調(diào)度仿真網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是由基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)資源為系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)共有，因此必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度問題。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不僅依賴于傳統(tǒng)控制算法的設(shè)計(jì)，而且依賴于網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度與優(yōu)化。在TrueTime工具箱中預(yù)定義的調(diào)度策略包括固定優(yōu)先級 (Fixed Priority )、單調(diào)速率(RM,Rate Monotonic)、截止期單調(diào)(DM,Deadline Monotonic)，最小截止期優(yōu)先 (EDF,Earliest Deadline First)，計(jì)算機(jī)調(diào)度方式

15、由用戶決定。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)干擾節(jié)點(diǎn)帶寬為40%，此時(shí)可得圖5所示的調(diào)度曲線，圖5 給出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸狀態(tài)，與計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)的線程執(zhí)行過程，其中高信號(hào)表示發(fā)送信號(hào)，低信號(hào)表示閑置狀態(tài)，中間信號(hào)說明該節(jié)點(diǎn)處于等待狀態(tài)，通過該過程曲線可以對網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)進(jìn)程進(jìn)行分析。從圖中可見，由于調(diào)度的影響，使得控制系統(tǒng)傳感器的采樣周期產(chǎn)生變化，不是一個(gè)定值，同時(shí)從傳感器檢測到執(zhí)行器之間時(shí)間也產(chǎn)生了變化，圖5 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)資源調(diào)度從而使得系統(tǒng)產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致性能降低。不同的調(diào)度策略將決定網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)的不同執(zhí)行與傳輸方式以及不同的控制性能。仿真表明，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能不僅與常規(guī)的控制系統(tǒng)的控制方法有關(guān)，

16、而且與網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度有關(guān)，所以必須對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制方法與調(diào)度進(jìn)行集成研究。5、結(jié)束語網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是涉及控制系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)上對于具有時(shí)延的分布式控制系統(tǒng)研究，往往采用Matlab/Simlink，利用延時(shí)模塊進(jìn)行簡單地仿真，功能相對較弱，而利用TrueTime工具箱，可以對網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響、控制方法、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度等多方面進(jìn)行綜合仿真研究，從而使得網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究更加容易。參考文獻(xiàn)1吳秋峰.對網(wǎng)絡(luò)與控制學(xué)科交叉發(fā)展的一些認(rèn)識(shí).工業(yè)控制計(jì)算機(jī).2001.14（9）2G. C. Walsh, H. Ye, and L. Bushnell, “Stability anal

17、ysis of networked control systems,” in Proc. Amer. Contr. Conf., June 1999, pp. 28762889. 3 Eker J. and Cervin A., A Matlab toolbox for real-time and control systems co-design, Proc. of 6th Int. Real-Time ComputingSystems and Applications Conference, 1999, pp 320-327. 4 Dan Henriksson, Anton Cervin

18、.TrueTime Reference Manual v 0.11 July 30, 20025Anton Cervin, Dan Henriksson, Bo Lincoln, Johan Eker, KarlErik Årzén “Analysis and Simulation of Controller Timing” IEEE Control Systems Magazine, 2003.作者簡介：何堅(jiān)強(qiáng)(1964)，男，漢族， 副教授，南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院在讀博士生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及智能控制，電話E-mail：。 He Jianqiang was born in 1964, an associate professor. he is currently a doctoral student in automation institute, Nanjing University of Aeronauti