《網絡控制基礎》課程中仿真軟件的探索性使用

作者姓名：殷利平，出生年月：1980年12月-。性別：女；籍貫：江蘇阜寧，職稱：講師，現供職單位：南京信息工程大學，研究方向：隨機分布控制

摘要：本文主要探討《網絡控制基礎》課程教學中Truetime工具箱的使用。網絡控制是控制、計算機和網絡通信這三種技術相結合的最新產物，是一個嶄新而前沿的研究領域。《網絡控制基礎》這門課程是我院在國內外近年來網絡控制系統研究成果的基礎上新開設的一門課程。該門課程中引入Truetime仿真，可以改善教學手段，豐富教學內容，不僅有利于學生更好地掌握本課程知識，還有利于學生了解該領域的最新研究方向。

關鍵詞：網絡控制 Truetime 教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795(2012)01(a)-0000-00

1 引言

網絡控制系統涉及自動控制、計算機網絡、通信技術和最優化等理論與技術，是近年來國際學術界研究的主題之一[1]。網絡控制系統（NCS， Networked Control System）是指傳感器、執行器和控制器機構通過通信網絡形成閉環的控制系統[2]。這門課程涉及知識面廣、理論性強、邏輯性強。開設該門課程一方面有助于學科建設的不斷完善，培養對網絡控制感興趣的研究生，另一方面可以使學生了解網絡控制系統中存在的問題和國內外研究現狀，掌握相應的控制技術和分析方法，增加學生解決實際問題的能力。

由于網絡的引入，使得網絡控制系統的性能不僅取決于通常的控制算法的設計， 還取決于網絡資源的調度。在輔助教學所使用的各類計算機仿真軟件中，MATLAB是使用最為普遍的一個， Matlab/Simulink可以實現控制系統的仿真， 也可以實現實時調度的仿真， 但不支持控制系統和實時調度同時仿真。由瑞典Lund工學院的DanHenriksson和Anton Cervin等學者開發的一種基于Matlab的實時控制與網絡控制仿真工具箱Truetime， 能夠同時支持控制與實時調度，可以對網絡時延、網絡參數對系統性能的影響、控制方法和網絡調度等方面進行綜合仿真研究，從而使得網絡控制系統的研究更加容易。在《網絡控制基礎》的課程教學過程中利用Truetime工具箱進行仿真實驗可以對那些通過黑板板書不易被理解的內容、在實驗中不易被觀察到的現象以及在實驗臺上不易直接運算得出的數據進行課堂仿真示范，使學生更容易接受并理解理論知識，從而實現理論教學與實驗教學的有效銜接。

利用Truetime工具箱對網絡控制系統進行仿真前， 需要在matlab下安裝Truetime工具箱。對各種不同的版本，Truetime的安裝方法略有不同，具體的安裝方法見[3]。

2 Truetime在教學中的應用

設彈簧—阻尼系統傳遞函數為， 其中參數M=1kg， b=10N.s/m， k=20N/m。輸入信號為單位階躍信號。要求采用PID控制，使系統滿足：較快的上升時間和調節時間、較小的超調量、靜態誤差為0。

取 ，其中，為比例增益系統， 為積分增益系數，

為微分增益系數。

教學目標是在有時延這種網絡環境下，分析時延對系統的影響。

系統采用三個Truetime Kernel 模塊分別構建傳感器、控制器與執行器節點，采用一個

Truetime Network模塊構建網絡環境。此外，設置一個網絡節點作為網絡干擾源，產生阻礙網絡傳輸的隨機干擾信號。網絡模塊參數設置為：采用Ethernet網絡類型，調度采用prioFP(固定優先級)策略，數據速率為1000000b/s。

在 Truetime環境下，建立系統的仿真平臺。仿真時，從有無時延這種網絡環境進行參數設置，仿真結果如圖1、圖2所示。

無網絡時延。采樣周期取0.01s. 從仿真結果可以看出，此時系統的階躍響應上升時間和調節時間都很短，仿真曲線無超調。

有網絡時延。在有時延分析中，加入Truetime的網絡模塊和干擾節點，網絡類型選擇CSMA/CD(Ethernet)方式，網絡的丟包率設為0，采樣時間取0.01s， 傳感器到控制器的預計時延為0.002s， 控制計算時間預計時延為0.005s。在有時延的情況下，系統的階躍響應有超調，但超調量不大，約為101%，上升時間與調節時間都很短，與無時延時相差不大。這說明當系統閉環時延小于一個采樣周期時，系統的品質要差于無時延的情況，但仍能正常工作。

3 結語

《網絡控制基礎》這門課程綜合性、理論性和實驗性都很強，而且控制過程和實時調度過程不容易理解。將Truetime運用到網絡控制系統教學中，打破了傳統教學模式和實驗相分離的缺點，實現了教學和實驗同步進行，將生動形象的實驗教學和抽象難懂的理論教學有機結合，取得了良好的教學效果。此方法在提高教師的教學效果的同時，也激發了學生對于網絡控制這個新興的研究方向的研究興趣，為他們在該領域的進一步發展奠定了基礎。

參考文獻

[1] 鄧睿，湯賢銘，俞金壽.基于Truetime工具箱的網絡控制系統時延分析[J].工業控制計算機.2010， 23(2):24-26.

[2] 隋樹林，朱孔陽，翟偉，莊國濤.基于Truetime的網絡控制系統的仿真研究[J].微計算機信息（測控自動化）.2010，26(5-1):38-40.

[3] 王巖，孫增圻.網絡控制系統分析與設計[M].北京:清華大學出版社.2009.