基于TrueTime工具箱的网络控制系统仿真研究

1、基于TrueTime工具箱的网络控制系统仿真研究Simulation Research of Networked Control System Based on TrueTime 何坚强 张焕春 He ，Jianqiang, Zhang，Huanchuen摘要：网络控制系统是基于网络技术的分布式控制系统，是融合了计算机技术、通信技术与控制技术的复杂系统。结合应用实例，本文介绍了具有网络控制系统仿真功能的基于 Matlab的TrueTime工具箱，给出了具有时延特征的网络控制系统的控制与调度仿真结果。关键词：网络控制系统；TrueTime工具箱；实时控制；延时中图分类号：TP13 文献标识码：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、 引言网络控制系统NCS（networked control system）是基于网络的分布式控制系统，融合了计算机技术、通信技术与控制技术1，体现了控制系统的网络化、集成化、节点智能化的发展趋势，是控制界研究的一个热点之一。尽管网络

4、控制系统理论还不够成熟，但是利用现场总线和工业以太网构成的网络控制系统已经在工业控制领域、楼宇自动化等方面得到了广泛应用。目前网络控制系统的理论研究落后于实际应用，因此迫切需要对网络控制系统理论进行系统地研究，TrueTime工具箱的出现，为网络控制系统的研究提供了很好的研究工具，本文结合网络控制系统实例，介绍了TrueTime工具箱结构、功能与使用。2、 网络控制系统概述网络控制系统利用串行通信网络在分布化的设备之间进行信息和控制信号的交换，当一个控制系统通过串行通信网络构成控制回路时，就构成为网络控制系统2，通信能够保证系统的实时性要求。图1所示为网络控制系统的组成示意，一个网络控制系统往

5、往由多个子控制系统构成,通信通道为系统中各个设备共有，智能化输入/输出（I/O）设备如传感器、驱动器与控制设备都通过串行通信网络进行连接，实现信息的共享。由现场总线与工业以太网构成的系统都属于网络控制系统。其它节点执行器1 A.2对象 1传感器 1通信网络执行器 2对象 2控制器Computer传感器2图1 网络控制系统的结构框图 网络控制系统是控制技术与计算机网络技术的结合产物，因此研究的内容如控制算法、控制及时性、稳定性等具有网络的特点，因此使得系统的分析与设计更具有复杂性，主要表现在传输时间延时上。系统的时延主要包含两个方面，一为网络控制系统设备之间信息交换与处理所需时间，包括传感器到控

6、制器的延时与控制器到传感器的延时，因系统中的信息资源多，对于网络通道而言，每次只能够传输包含一种设备的信息，这种时延或为常数或为时变量，二为网络是一个信息传输通道，因此在信息传送时，存在信息的碰撞、丢失和重发现象，这给系统的通信带来了限制，影响到系统的实时性，使整个网络控制系统性能得不到保证。对网络控制系统的调度与控制方法进行研究是重要的研究方向，可以充分利用有限的网络资源，满足控制任务的时间约束要求与性能要求。3、 TrueTime工具箱结构与功能3.1结构与功能Eker J. and Cervin A3 开发了基于Matlab/Simlink的TrueTime工具箱。TrueTime工具箱

7、包括了TrueTime 图2 TrueTime模块接口Computer与TrueTime Network两个接口模块，如图2所示。计算机模块具有灵活的实时内核，A/D和D/A转换器，网络接口和外部通道。计算机模块按照用户定义的任务执行，代码采用Matlab或C+编写。中断句柄代表I/O任务，控制算法和网络接口，网络模块采用事件驱动方式，当有消息进出网络时，网络模块执行工作。消息包含发送和接收计算机节点的信息、用户数据（如测量信号或控制信号）、传送时间和可选择的实时特性（如优先级或时限）。包括节点数、网络速度、媒体访问控制协议和网络时延等参数，两种模块采用事件驱动方式，执行决定于内、外事件，用户

8、定义的任务。网络模块按选定方式工作，参数设定包括节点数目、传输速率，媒体访问控制协议和其他参数，其中媒体访问控制协议包括CSMA/ CD（随机载波监听/冲突检测）、CSMA/ CA（载波监听多路获取/冲突避免）、TDMA（时分多路复用）、FDMA（频分多路复用）或round robin等方式。 两种模块都采用事件驱动方式工作，任务执行取决于内部事件（如定时到、任务完成等）与外部事件（如信息到达网络）。调度器与监控器的输出用于显示仿真过程中公共资源（CPU、监控器、网络）的分配。TrueTime具有很强的功能，可以用于（1）用于研究因强占或者传输延时等时间不定性对控制性能的影响；（2）基于测量实

9、际时变，设计动态调节控制器，用于系统的补偿；（3）进行新的更加灵活的动态调度方法实验，如CPU时间和通信带宽的反馈调度和基于QoS的调度方法；（4）用于仿真事件驱动的控制系统等方面的研究。3.2 初始化使用TrueTime进行仿真时，首先要对网络控制系统中的网络模块TrueTime Network和各个节点即计算机模块TrueTime Computer进行初始化，初始化涉及输入和输出端口的数目，选择优先级函数、定义代码函数、建立线程与中断句柄等。表1 伪码举例ttAnalogIn（ch）ttAnalogOut（ch，val）ttSendMsg（rec，data，len）ttGetMsg（）tt

10、Wait（ev）ttCreateTimer（time，ih）ttSetPriority（val）从输入通道取值设定输出通道值在网络上发送信息从网络输入队列中获取消息等一个事件在指定时间触发中断句柄改变任务优先级 初始化时，用户首先要设置各种参数，并且编写各种代码函数实现所需功能，代码可以采用Matlab语言或者C+编写，编写代码可通过调用伪码完成，在计算机内核中提供了一组能够被用户调用的实时伪码，表1给出了部分伪码示例，编写的代码用于创建各种任务与网络中断句柄，本文的初始化涉及多个节点的初始化问题。初始化中计算机内核与网络是两个基本的初始化内容，分别采用了ttInitKernel(nbrInp

11、, nbrOutp, prioFcn)与ttInitNetwork(nodenumber, handlername)形式表示。ttInitKernel中nbrInp为输入通道的数目，nbrOutp为输出通道的数目，prioFcn为采用的调度策略，而ttInitNetwork中nodenumber 为网络中节点的地址， handlername 为被调用的中断句柄名，如ttInitKernel(1, 0, 'RM')表示采用了RM（单调速率）调度策略。如网络中节点4控制器初始化为ttInitNetwork(4, 'msgRcv')。 4、 网络控制系统仿真研究4.1

12、仿真模型网络控制系统由一个网络模块和多个计算机模块构成，计算机模块作为网络的节点使用。图3为运行于网络环境下直流电机控制系统，网络控制系统由传感器、控制器、执行器节点以及与对象组成，系统中还加入了干扰节点进行控制研究，下面对网络传输引起时延对系统的影响进行了仿真。图3控制系统仿真模型4.2 具有时延的NCS仿真网络模块的参数设置为CSMA/CA（CAN），节点数4个，调度采用了prioFP策略，数据速率为 1000000 (bits/s)， 仿真系统可以通过Proprocessing delay（发送时延）与Postprocessing delay（接收时延）进行传输时延的设定。由于时延增加，

13、系统的稳定性降低。图4所示给出了网络传输时延为0.001s的系统变化曲线，由于存在传输时延，系统振荡加强，性能降低，网络控制系统的处理时延会对系统性能产生很大的影响，如何设计一个能够补偿网络时延的控制器是大家所关心的问题，这里采用调整控制器参数方法进行补偿调节。（a）时延系统 （b） 补偿后 图4 时延网络控制系统的变化曲线该调节方法是根据网络传输延时的变化进行控制器参数的动态调整。先将网络传输时延与控制器参数之间关系列表处理，本文采用PD控制，即将控制器参数比例系数K与微分时间Td与时延进行列表处理。控制时，通过控制器决定从传感器到控制器的传输时延，然后根据时延值估计出控制系统的传输总时延，

14、根据时延值查表得出对应的控制器参数K与Td，通过控制计算输出控制信号，实现系统控制，图4（b）为补偿后的系统曲线。4.3 NCS的调度仿真网络控制系统是由基于网络的控制系统，网络资源为系统中各个节点共有，因此必须进行网络资源的调度问题。网络控制系统不仅依赖于传统控制算法的设计，而且依赖于网络资源的调度与优化。在TrueTime工具箱中预定义的调度策略包括固定优先级 (Fixed Priority )、单调速率(RM,Rate Monotonic)、截止期单调(DM,Deadline Monotonic)，最小截止期优先 (EDF,Earliest Deadline First)，计算机调度方式

15、由用户决定。设置网络干扰节点带宽为40%，此时可得图5所示的调度曲线，图5 给出了网络控制系统中信息在网络中的传输状态，与计算机节点的线程执行过程，其中高信号表示发送信号，低信号表示闲置状态，中间信号说明该节点处于等待状态，通过该过程曲线可以对网络的节点与计算机进程进行分析。从图中可见，由于调度的影响，使得控制系统传感器的采样周期产生变化，不是一个定值，同时从传感器检测到执行器之间时间也产生了变化，图5 网络控制系统资源调度从而使得系统产生波动，导致性能降低。不同的调度策略将决定网络与计算机的不同执行与传输方式以及不同的控制性能。仿真表明，网络控制系统的性能不仅与常规的控制系统的控制方法有关，

16、而且与网络的调度有关，所以必须对网络控制系统的控制方法与调度进行集成研究。5、结束语网络控制系统是涉及控制系统与通信网络的复杂系统，传统上对于具有时延的分布式控制系统研究，往往采用Matlab/Simlink，利用延时模块进行简单地仿真，功能相对较弱，而利用TrueTime工具箱，可以对网络时延、网络参数对系统性能的影响、控制方法、网络调度等多方面进行综合仿真研究，从而使得网络控制系统的研究更加容易。参考文献1吴秋峰.对网络与控制学科交叉发展的一些认识.工业控制计算机.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.作者简介：何坚强(1964)，男，汉族， 副教授，南京航空航天大学自动化学院在读博士生，研究方向为计算机测控、网络控制系统及智能控制，电话E-mail：。 He Jianqiang was born in 1964, an associate professor. he is currently a doctoral student in automation institute, Nanjing University of Aeronauti