基于TrueTime工具箱的網絡控制系統(tǒng)仿真研究

1、基于TrueTime工具箱的網絡控制系統(tǒng)仿真研究Simulation Research of Networked Control System Based on TrueTime 何堅強 張煥春 He ，Jianqiang, Zhang，Huanchuen摘要：網絡控制系統(tǒng)是基于網絡技術的分布式控制系統(tǒng)，是融合了計算機技術、通信技術與控制技術的復雜系統(tǒng)。結合應用實例，本文介紹了具有網絡控制系統(tǒng)仿真功能的基于 Matlab的TrueTime工具箱，給出了具有時延特征的網絡控制系統(tǒng)的控制與調度仿真結果。關鍵詞：網絡控制系統(tǒng)；TrueTime工具箱；實時控制；延時中圖分類號：TP13 文獻標識碼：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、 引言網絡控制系統(tǒng)NCS（networked control system）是基于網絡的分布式控制系統(tǒng)，融合了計算機技術、通信技術與控制技術1，體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的網絡化、集成化、節(jié)點智能化的發(fā)展趨勢，是控制界研究的一個熱點之一。盡管網絡

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)以太網構成的網絡控制系統(tǒng)已經在工業(yè)控制領域、樓宇自動化等方面得到了廣泛應用。目前網絡控制系統(tǒng)的理論研究落后于實際應用，因此迫切需要對網絡控制系統(tǒng)理論進行系統(tǒng)地研究，TrueTime工具箱的出現(xiàn)，為網絡控制系統(tǒng)的研究提供了很好的研究工具，本文結合網絡控制系統(tǒng)實例，介紹了TrueTime工具箱結構、功能與使用。2、 網絡控制系統(tǒng)概述網絡控制系統(tǒng)利用串行通信網絡在分布化的設備之間進行信息和控制信號的交換，當一個控制系統(tǒng)通過串行通信網絡構成控制回路時，就構成為網絡控制系統(tǒng)2，通信能夠保證系統(tǒng)的實時性要求。圖1所示為網絡控制系統(tǒng)的組成示意，一個網絡控制系統(tǒng)往

5、往由多個子控制系統(tǒng)構成,通信通道為系統(tǒng)中各個設備共有，智能化輸入/輸出（I/O）設備如傳感器、驅動器與控制設備都通過串行通信網絡進行連接，實現(xiàn)信息的共享。由現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網構成的系統(tǒng)都屬于網絡控制系統(tǒng)。其它節(jié)點執(zhí)行器1 A.2對象 1傳感器 1通信網絡執(zhí)行器 2對象 2控制器Computer傳感器2圖1 網絡控制系統(tǒng)的結構框圖 網絡控制系統(tǒng)是控制技術與計算機網絡技術的結合產物，因此研究的內容如控制算法、控制及時性、穩(wěn)定性等具有網絡的特點，因此使得系統(tǒng)的分析與設計更具有復雜性，主要表現(xiàn)在傳輸時間延時上。系統(tǒng)的時延主要包含兩個方面，一為網絡控制系統(tǒng)設備之間信息交換與處理所需時間，包括傳感器到控

6、制器的延時與控制器到傳感器的延時，因系統(tǒng)中的信息資源多，對于網絡通道而言，每次只能夠傳輸包含一種設備的信息，這種時延或為常數(shù)或為時變量，二為網絡是一個信息傳輸通道，因此在信息傳送時，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)的實時性，使整個網絡控制系統(tǒng)性能得不到保證。對網絡控制系統(tǒng)的調度與控制方法進行研究是重要的研究方向，可以充分利用有限的網絡資源，滿足控制任務的時間約束要求與性能要求。3、 TrueTime工具箱結構與功能3.1結構與功能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兩個接口模塊，如圖2所示。計算機模塊具有靈活的實時內核，A/D和D/A轉換器，網絡接口和外部通道。計算機模塊按照用戶定義的任務執(zhí)行，代碼采用Matlab或C+編寫。中斷句柄代表I/O任務，控制算法和網絡接口，網絡模塊采用事件驅動方式，當有消息進出網絡時，網絡模塊執(zhí)行工作。消息包含發(fā)送和接收計算機節(jié)點的信息、用戶數(shù)據(jù)（如測量信號或控制信號）、傳送時間和可選擇的實時特性（如優(yōu)先級或時限）。包括節(jié)點數(shù)、網絡速度、媒體訪問控制協(xié)議和網絡時延等參數(shù)，兩種模塊采用事件驅動方式，執(zhí)行決定于內、外事件，用戶

8、定義的任務。網絡模塊按選定方式工作，參數(shù)設定包括節(jié)點數(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（時分多路復用）、FDMA（頻分多路復用）或round robin等方式。 兩種模塊都采用事件驅動方式工作，任務執(zhí)行取決于內部事件（如定時到、任務完成等）與外部事件（如信息到達網絡）。調度器與監(jiān)控器的輸出用于顯示仿真過程中公共資源（CPU、監(jiān)控器、網絡）的分配。TrueTime具有很強的功能，可以用于（1）用于研究因強占或者傳輸延時等時間不定性對控制性能的影響；（2）基于測量實

9、際時變，設計動態(tài)調節(jié)控制器，用于系統(tǒng)的補償；（3）進行新的更加靈活的動態(tài)調度方法實驗，如CPU時間和通信帶寬的反饋調度和基于QoS的調度方法；（4）用于仿真事件驅動的控制系統(tǒng)等方面的研究。3.2 初始化使用TrueTime進行仿真時，首先要對網絡控制系統(tǒng)中的網絡模塊TrueTime Network和各個節(jié)點即計算機模塊TrueTime Computer進行初始化，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）從輸入通道取值設定輸出通道值在網絡上發(fā)送信息從網絡輸入隊列中獲取消息等一個事件在指定時間觸發(fā)中斷句柄改變任務優(yōu)先級 初始化時，用戶首先要設置各種參數(shù)，并且編寫各種代碼函數(shù)實現(xiàn)所需功能，代碼可以采用Matlab語言或者C+編寫，編寫代碼可通過調用偽碼完成，在計算機內核中提供了一組能夠被用戶調用的實時偽碼，表1給出了部分偽碼示例，編寫的代碼用于創(chuàng)建各種任務與網絡中斷句柄，本文的初始化涉及多個節(jié)點的初始化問題。初始化中計算機內核與網絡是兩個基本的初始化內容，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為采用的調度策略，而ttInitNetwork中nodenumber 為網絡中節(jié)點的地址， handlername 為被調用的中斷句柄名，如ttInitKernel(1, 0, 'RM')表示采用了RM（單調速率）調度策略。如網絡中節(jié)點4控制器初始化為ttInitNetwork(4, 'msgRcv')。 4、 網絡控制系統(tǒng)仿真研究4.1

12、仿真模型網絡控制系統(tǒng)由一個網絡模塊和多個計算機模塊構成，計算機模塊作為網絡的節(jié)點使用。圖3為運行于網絡環(huán)境下直流電機控制系統(tǒng)，網絡控制系統(tǒng)由傳感器、控制器、執(zhí)行器節(jié)點以及與對象組成，系統(tǒng)中還加入了干擾節(jié)點進行控制研究，下面對網絡傳輸引起時延對系統(tǒng)的影響進行了仿真。圖3控制系統(tǒng)仿真模型4.2 具有時延的NCS仿真網絡模塊的參數(shù)設置為CSMA/CA（CAN），節(jié)點數(shù)4個，調度采用了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)送時延）與Postprocessing delay（接收時延）進行傳輸時延的設定。由于時延增加，

13、系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。圖4所示給出了網絡傳輸時延為0.001s的系統(tǒng)變化曲線，由于存在傳輸時延，系統(tǒng)振蕩加強，性能降低，網絡控制系統(tǒng)的處理時延會對系統(tǒng)性能產生很大的影響，如何設計一個能夠補償網絡時延的控制器是大家所關心的問題，這里采用調整控制器參數(shù)方法進行補償調節(jié)。（a）時延系統(tǒng) （b） 補償后 圖4 時延網絡控制系統(tǒng)的變化曲線該調節(jié)方法是根據(jù)網絡傳輸延時的變化進行控制器參數(shù)的動態(tài)調整。先將網絡傳輸時延與控制器參數(shù)之間關系列表處理，本文采用PD控制，即將控制器參數(shù)比例系數(shù)K與微分時間Td與時延進行列表處理?？刂茣r，通過控制器決定從傳感器到控制器的傳輸時延，然后根據(jù)時延值估計出控制系統(tǒng)的傳輸總時延，

14、根據(jù)時延值查表得出對應的控制器參數(shù)K與Td，通過控制計算輸出控制信號，實現(xiàn)系統(tǒng)控制，圖4（b）為補償后的系統(tǒng)曲線。4.3 NCS的調度仿真網絡控制系統(tǒng)是由基于網絡的控制系統(tǒng)，網絡資源為系統(tǒng)中各個節(jié)點共有，因此必須進行網絡資源的調度問題。網絡控制系統(tǒng)不僅依賴于傳統(tǒng)控制算法的設計，而且依賴于網絡資源的調度與優(yōu)化。在TrueTime工具箱中預定義的調度策略包括固定優(yōu)先級 (Fixed Priority )、單調速率(RM,Rate Monotonic)、截止期單調(DM,Deadline Monotonic)，最小截止期優(yōu)先 (EDF,Earliest Deadline First)，計算機調度方式

15、由用戶決定。設置網絡干擾節(jié)點帶寬為40%，此時可得圖5所示的調度曲線，圖5 給出了網絡控制系統(tǒng)中信息在網絡中的傳輸狀態(tài)，與計算機節(jié)點的線程執(zhí)行過程，其中高信號表示發(fā)送信號，低信號表示閑置狀態(tài)，中間信號說明該節(jié)點處于等待狀態(tài)，通過該過程曲線可以對網絡的節(jié)點與計算機進程進行分析。從圖中可見，由于調度的影響，使得控制系統(tǒng)傳感器的采樣周期產生變化，不是一個定值，同時從傳感器檢測到執(zhí)行器之間時間也產生了變化，圖5 網絡控制系統(tǒng)資源調度從而使得系統(tǒng)產生波動，導致性能降低。不同的調度策略將決定網絡與計算機的不同執(zhí)行與傳輸方式以及不同的控制性能。仿真表明，網絡控制系統(tǒng)的性能不僅與常規(guī)的控制系統(tǒng)的控制方法有關，

16、而且與網絡的調度有關，所以必須對網絡控制系統(tǒng)的控制方法與調度進行集成研究。5、結束語網絡控制系統(tǒng)是涉及控制系統(tǒng)與通信網絡的復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)上對于具有時延的分布式控制系統(tǒng)研究，往往采用Matlab/Simlink，利用延時模塊進行簡單地仿真，功能相對較弱，而利用TrueTime工具箱，可以對網絡時延、網絡參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響、控制方法、網絡調度等多方面進行綜合仿真研究，從而使得網絡控制系統(tǒng)的研究更加容易。參考文獻2G. C. Walsh, H. Ye, and L. Bushnell, “Stability analysis of networked control systems,” in Pr

17、oc. 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 .TrueTime Reference Manual v 0.11 July 30

18、, 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：何堅強(1964)，男，漢族， 副教授，南京航空航天大學自動化學院在讀 He Jianqiang was born in 1964, an associate professor. he is currently a doctoral student in automation institute, Nanjing University of Aeronautics a