基于Truetime网络控制系统的仿真

1、海南大学本科生 20102011学年度 第2学期课程考查论文学院（中心、所）： 信息科学技术学院 专业： 电子信息工程 研究方向： 班级： 学生姓名： 学生证号： 课程名称： 论文题目： 基于Truetime的网络控制系统的仿真 任课老师： （以上由学生填写）教师评阅： 阅卷教师（签名）： 年 月 日 目 录 摘要 3关键词 3网络控制系统概述 3Truetime的安装 3（有线网络控制系统）一、组成结构 3二、存在的问题 4三、分散式有线网络控制系统的仿真实例 4Network 5 网络参数 5 网络模式 8Truetime Kernel 8 一、传感器 8 二、控制器 10 三、执行器 1

2、1 四、干扰节点 11被控对象 12（无线网络控制系统）一、组成结构 13二、存在的问题 13三、无线网络控制系统的仿真实例 14Network 15Truetime Kernel 17被控对象 18结束语（感想） 19参考文献 19摘要：MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它主要包括MATLAB和Simulink仿真两大部分。随着科学技术的迅猛发展，MATLAB在通讯系统设计与仿真中的应用也越来越广泛。而网络控制系统又是电子专业课程极其重要的一部分，故掌握好网络控制系统的仿真便显得尤为重要了。本文通过对有线与无线网络控制

3、系统的举例，详细地分析了Truetime工具箱中各个模块的功能，阐述了有线网络控制系统中数据包丢失、稳定性等问题以及无线网络控制系统中功率控制策略的问题。关键词： MATLAB Truetime 网络控制系统 丢包 干扰节点 稳定性 功率控制网络控制系统概述：网络控制系统（NCS，Networked Control System）是指由传感器、控制器和执行器通过通信网络形成的实时闭环的控制系统。简单结构如下图所示：控制器执行器被控对象传感器u(t)r(t) +y(t)e(t)-Truetime的安装在MATLAB7.0中安装truetime-1.5工具箱：1、 解压安装包2、 复制粘贴文件夹t

4、ruetime-1.5至C:MATLAB7toolbox3、 打开MATLAB，FileSet Path, 弹出“Set Path”窗口，点击“Add Folder.”建立C:MATLAB7toolboxtruetime-1.5kernel路径，点击左下角的“Save”，再“Close”4、 如果在Windows XP 中，则进入“控制面版系统/高级环境变量”中添加系统变量及用户变量“TTKERNEL”，建立C:MATLAB7toolboxtruetime-1.5kernel路径；如果在Win 7中，则进入“控制面版用户账户和家庭安全/用户账户更改我的环境变量”建立C:MATLAB7toolb

5、oxtruetime-1.5kernel路径，同时添加系统变量及用户变量“TTKERNEL”5、 将C:MATLAB7toolboxlocalstartsav.m 中添加如下命令addpath(getenv('TTKERNEL')init_truetime;6、 在MATLAB7.0中打开C:MATLAB7toolboxlocalmatlabrc.m，并用M-File Editor中File菜单下的“Save Workspace As.”把该文件命名为matlab.mat 保存到原目录7、 重新启动MATLAB7.0，在Command Window窗口下，以命令行的方式输入Tr

6、uetime，回车，即可看到Truetime仿真工具箱注：访问examples时，应直接在C:MATLAB7toolboxtruetime-1.5examples下打开。 （若电脑同时安装了多种MATLAB版本的软件）有线网络控制系统一、组成结构有线网络控制系统中，有传感器节点、控制器节点、执行器节点和干扰节点。组成结构如下图所示：二、存在的问题这种系统存在时延、丢包、多包、乱序的问题，这些问题的出现会降低系统的性能，譬如使系统的稳定范围变窄，稳定性变差，严重时甚至使系统失稳。下面，举一个有线网络系统的仿真实例来说明Truetime-1.5中各个模块的作用以及丢包等问题。三、分散式有线网络控制

7、系统的仿真实例这是一个分散式的有线网络控制系统的实例（distributed.mdl）：简略概述：该系统包含四个网络节点（皆用Truetime内核模块表示）：Node 4（传感器)，Node 3（控制器），Node 2（执行器）和Node 1（干扰节点）。可假设u为“冷气”，经过DC Servo(被控对象)的作用后变为y“暖气”，再将信号传给Node 4（传感器），将信号传给Network（网络模块），由Node 3（控制器）进行离散PID控制算法处理之后，再将信号传给Node 2（执行器），反作用于DC Servo(被控对象)。其中，Node 1（干扰节点），它能发送干扰网络通信的模拟信号，

8、并在计算机节点中执行干扰的高优先级任务。传感器节点采用时间（clockdisplay）驱动的方式对过程进行周期性采样，采样周期为10 ms。下面，对其逐个模块进行分析：Network 全称为Truetime Network （网络模块）是网络控制系统（NCS）的通信网络。网络参数：Network number网络模块编号从1算起，无线与有线网络不能使用相同的编号。(juli 无线)Number of nodes 网络节点数决定了模块Snd和Rcv（输入、输出）的大小。若节点数增多，则每个节点所占的带宽必定缩短，导致数据包丢失。Network number：8Data rate(bits/s)

9、网络传输速率其含义是每秒钟传输的二进制数的位数。影响网络传输速率的因素主要有带宽、延迟和丢包。带宽越窄、延迟时间越长、丢包越严重，则传输速率就越低。如图所示，将传输速率分别改为800、8000、80000，则可以看出，网速越慢，丢包越严重。Network number：80000Network number：8000Network number：800Minimum frame size(bytes) 最小帧若输入的信息小于此帧，那么网络将自动填补（以单纯的高低电平的方式）。如下图所示，最小帧分别为40、400，当最小帧为400时，控制系统自动填补，信息严重丢包。Minimum frame s

10、ize(bytes)：40Minimum frame size(bytes)：400Loss probability(0-1) 传输过程中的信息丢失率丢失的信息会占用网络带宽，却不能到达目的地。Loss probability(0-1)：0.2Loss probability(0-1)：0.5网络模式：Truetime Network主要支持的六种简单的网络模型：CSMA/CD(e.g. Ethernet) 带有冲突检测的载波监听随机访问CSMA/AMP(e.g. CAN) 带有信息优先级仲裁的载波监听多路访问Round Robin(e.g. Token Bus) 令牌总线网络其默认值为Ban

11、dwidth allooations（带宽）1000Slotsize（bits）20Cyolic schedule123 333Total switch memory（bit）10000Switch buffer type（缓冲型开关）common buffer（常见的缓冲）Switch overflow behavior（开关溢出行为）retransmit（传输）FDMA（Frequency Division Multiple Access）频分多址可调整Bandwidth allooations（带宽）TDMA（e.g. TTP）Time Division Multiple Access

12、时分多址可调整Slotsize（bits）、Cyolic scheduleSwitched Ethernet可调整Total switch memory（bit）、Switch buffer type（缓冲型开关）、Switch overflow behavior（开关溢出行为）。Truetime Kernel其全称为实时内核模块，可用作网络节点。本例中，内核模块被用为传感器(Sensor) Node4、控制器(Controller) Node3、执行器(Aotuator) Node2、干扰节点(Interference) Node1。其中，传感器、执行器、干扰节点的优先级同为1，控制器的优先

13、级为2。1、 传感器传感器的主要任务是进行周期性地采样，然后把采样值发送给控制器节点。进入C:MATLAB7toolboxtruetime-1.5examplesdistributedmatlab，打开sensor_init.m（传感器节点初始化程序）。简单说明作用：初始化传感器节点ttInitKernel(1, 0, 'prioFP') 规定模拟输入(1)与输出(0)，以及节点任务的优先级（prio）%创建传感器节点任务，对传感器节点所用的参数(包括中间数据进行初始化) offset = 0; % offset为偏移量period = 0.010; % period为采样周期

14、prio = 1;ttCreatePeriodicTask('sens_task', offset, period, prio, 'senscode', data); %定义节点任务(周期采样) disp('Sinit'); %初始化网络ttCreateInterruptHandler('nw_handler', prio, 'msgRcvSensor'); ttInitNetwork(4, 'nw_handler'); %对网络初始化，其中传感器节点为网络中的4号节点将偏移量改为2，结果为：off

15、set=0offset=2采样周期改为0.020，则其周期性采样的频率变小： 打开senscode.m（传感器节点任务程序）可以看到节点任务分3步进行。case1中，data.y = ttAnalogIn(1); %读取模拟端口1信号，存储到data.y，case2中，ttSendMsg(3, data.y, 80); %将存储在data.y的信号向端口3控制器端发送。2、 控制器其主要任务是接收传感器传过来的信号，对控制信号进行计算和处理，并把结果发送到执行器（包含有优先级最高的干扰任务）先Create a new model，设计出控制器的内部结构（连接Node 3控制器模型），然后将连接

16、图全部选中，右击选择Create subsystem创建子系统，即可生成的Node 3控制器模块(Controller)。然后通过对控制器节点的初始化，节点任务和网络中断程序进行编辑，分别建立对应的M文件。3、执行器其主要任务是接收控制器传过来的信号，并执行任务。执行器制作过程与控制器类似，在此不再累述。4、干扰节点干扰节点的的主要任务是模拟网络中的信号干扰，其初始化同传感器节点。干扰节点任务程序 (interfcode.m) ：BWshare = 0; %设置部分的网络带宽占用这个节点。将其改为0.7，观察现象。BWshare=0.0BWshare=0.7ttSendMsg(1, 1, 80

17、); %给自身发送80bits信号。BWshare=0.7保持不变，将ttSendMsg(1, 1, 80)改为ttSendMsg(1, 1, 90)，得：即节点所占网络带宽越长，给自身发送信号越大，干扰作用就越强。被控对象被控对象为。稳定性：信号受到“干扰波动”后，能恢复原有状态的能力，即信号的抗干扰力。现将被控对象分别改为和，分别观察系统的稳定性如下：从上图可以看出：在一定的范围内，选择不同的被控对象，不影响系统的稳定性。无线网络控制系统一、组成结构该系统包括传感器节点、执行器节点和控制器节点，其组成结构如下图所示：二、存在的问题无线网络控制系统依然存在时延、丢包、多包、乱序的问题，这些问

18、题的出现会降低系统的性能，譬如使系统的稳定范围变窄，稳定性变差，严重时甚至使系统失稳。但，所不同的是，有线网络中，功率消耗是不连续的、间断的，而无线网络中功率消耗是连续的，这会导致Truetime中的电池能源（Truetime Battery，存在于传感器/执行器节点、控制器节点之中）耗光，从而失去控制效果。所以，在无线网络控制系统中采用了功率控制策略。其效果如下图所示：带功率控制程序的性能曲线删除了部分功率控制程序(powctrlcode.m)的性能曲线三、无线网络控制系统的仿真实例这是一个无线网络控制系统的实例（wireless.mdl）：简略概述：时间（clockdisplay）驱动的传

19、感器/执行器节点(Node1)周期性对过程(DC Servo)采样并将采样值经网络(Wireless Network)发送到控制器节点（Node2）。控制器节点的任务是计算控制信号并将结果发送回传感器/执行器节点，执行控制信号。无线网络控制系统的连接同时也是一种功率控制策略。在传感器/执行器节点和控制器节点中执行功率控制任务。由于无线控制系统与有线控制系统的仿真模块有许多相似之处，故在此仅对其做简略的阐述与分析：Network 无线网络控制系统与有线网络控制系统相比较，其网络模块参数中相同的有：Network number（网络模块编号）、Number of nodes（网络节点数）、Data

20、 rate(bits/s)（网络传输速率）、Minimum frame size(bytes)（最小帧）Network type（媒体访问控制协议）。他们的功能完全一样，其中，有线网络系统可以支持六种简单的网络模型，而无线网络控制系统只能支持两种网络协议: IEEE 802.11b/g(WLAN)和IEEE 802.15.4(ZigBee)。另外，无线网络系统还增添了三项网络参数：Transmit power 发射功率修改发射功率参数，得：Transmit power=20Transmit power=40由上可知：发射功率过大，会造成信号的资源浪费。Receiver signal thres

21、hold 接收信号的功率门限功率门限：将个别闲置内核的功耗降低至接近于零的状态，而不受其它运行内核的影响，这样可以节省功率消耗。Receiver signal threshold=-48Receiver signal threshold=-10可见，功率门限设置得过高，系统将一些并非闲置的内核功率也降至接近于零的状态，则导致信号失真。Pathloss exponent 路径损耗指数路径损耗在此之意为Node1与Node2之间传送数据时，由Network传播环境引入的损耗的量。Pathloss exponent=3.5Pathloss exponent=5.5由仿真图可知：路径损耗指数越高，信号损耗越大。Truetime Kernel无线网络控制系统中将Truetime Kernel也用作网络节点，即传感器/执行器节点和控制器节点。传感器节点将所获的信号传递给控制器节点，执行器节点则接收控制器传过来的信号，并对被控对象执行任务。和有线网络控制一样，无线网络控制也是通过对传感器/执行器、控制器节点的初始化，节点任务和网络中断程序进行编辑，然后分别建立对应的M文件。所不同的是，无线网络控制系统增添了True