無線網(wǎng)絡(luò)直流伺服控制系統(tǒng)的研究與仿真

王健，劉雪花

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院，廣東從化510900）

無線網(wǎng)絡(luò)直流伺服控制系統(tǒng)的研究與仿真

王健，劉雪花

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院，廣東從化510900）

針對無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的無線發(fā)射功率與系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，在基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真工具的平臺上，對一個典型的直流伺服控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真研究，通過對功率控制策略、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和功率控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最終使得系統(tǒng)運行在一個穩(wěn)定的狀態(tài)。

WNCS；TrueTime；發(fā)射功率控制

1　概述

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種以無線網(wǎng)絡(luò)為信息傳遞介質(zhì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的引入，一方面使得控制系統(tǒng)部智能化、集成化與可擴展性提高的同時，也使得控制系統(tǒng)會面臨一些新的問題，如傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包亂序［1］。因此在研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時候，一般會通過仿真或?qū)嶒瀸μ岢龅目刂颇Ｐ秃涂刂评碚撨M(jìn)行有效性驗證。目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究熱點集中在數(shù)據(jù)包的時延與丟失上，考慮到無線網(wǎng)絡(luò)功率控制對于整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定的重要性，本文對給定距離與額定電能的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對無線結(jié)點發(fā)射功率與系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究與仿真。

2　TrueTime工具箱簡介

TrueTime是一個基于Matlab/Simulink的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺，由瑞典Lund工學(xué)院的DanHenrik-sson和AntonCervin開發(fā)，通過TrueTime可以對網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、功率控制對系統(tǒng)性能的影響，控制方法和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試等多方面進(jìn)行綜合研究，本文采用的Truetime-2.0-beta7，該版本提供有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)兩種通信模式，其中有線通信支持CSMA/CD（以太網(wǎng)）、CSMA/AMP（CAN總線協(xié)議）、RoudnRobin（令牌環(huán)網(wǎng)）等網(wǎng)絡(luò)模式，無線通信目前只支持802.11 b（WLAN）、802.15.4（ZigBee）和NCM_ WIRELESS三種網(wǎng)絡(luò)模式。

TrueTime的控制任務(wù)可以使用C++或Matlab的M文件編寫，TrueTime有6個常用的仿真模塊，TrueTimeKernel用于仿真網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器和執(zhí)行器結(jié)點［2］。TrueTimeNetwork用來模擬網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的有線通信網(wǎng)絡(luò)。TrueTimeWirelessNetwork是最核心的模塊，支持網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的仿真。TrueTimeBattery用來為其他模塊提供電源功率。使用了一個簡單的積分器模型，因此可以進(jìn)行重復(fù)充電。TrueTimeSend模塊進(jìn)行消息發(fā)送，TrueTimeReceive模塊進(jìn)行消息接收［3］。

3　無線網(wǎng)絡(luò)直流伺服控制系統(tǒng)建模

圖1　系統(tǒng)仿真模型

3.1控制器與傳感器/執(zhí)行器

系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包含兩個計算結(jié)點，并假定距離為30 m，其中Sensor/ActuatorNode用來仿真?zhèn)鞲衅髋c執(zhí)行器結(jié)點（簡稱S/ANode），S/Anode采用時鐘驅(qū)動方式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性地采樣，并通過無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)點將采樣信息發(fā)送至控制結(jié)點RegulatorNode（簡稱RNode），Rnode為事件驅(qū)動，采用PID方法產(chǎn)生控制信號，用以控制直流電機，被控制直流電機的傳遞函數(shù)為

離散PⅠD控制器為：

其中：K為比例增益；h為采樣周期；N為采樣次數(shù)；r（k），y（k），u（k）分別k時刻的參考輸入、對象輸出和控制命令，P（k），D（k）分別為k時刻的比例、微分控制。

3.2網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

TrueTimeWirelessNetwork（簡稱TTWNetwork）結(jié)點，采用無線網(wǎng)絡(luò)模塊分別選擇IEEEE802.11b（WLAN）協(xié)議進(jìn)行實驗，調(diào)度采用prioFP進(jìn)行調(diào)度。通信速率分別設(shè)定為800 000 bits/s。

3.3程序設(shè)計

1）初始化，包含對輸出和輸出端口數(shù)進(jìn)行指定、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工作。S/Anode結(jié)點初始化由regulator_init.m進(jìn)行定義，Rnode初始化由actuator_init.m進(jìn)行定義。

2）控制函數(shù)編寫。系統(tǒng)的主要控制代碼如下：

設(shè)定采樣周期為T=10 ms，傳感器到控制器預(yù)計延時為0.4 ms，控制器計算時間預(yù)計0.5 ms，控制器執(zhí)行器預(yù)計延時為0.5 ms，所以整個閉環(huán)控制系統(tǒng)預(yù)計延時為1.4 ms。設(shè)定比例增益K=1.5，微分常數(shù)Td=0.035。

3.4無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功率控制策略研究

功率控制策略同時會運行在S/Anode與Rnode上。Rnode會周期性的發(fā)送ping消息到S/Anode結(jié)點，用以測試鏈路的工作狀態(tài)，如果收到響應(yīng)，則說明鏈路使用率低且狀態(tài)良好，則可以減少各結(jié)點的傳輸功率，另一方面，如果沒有收到響應(yīng)，則需要增大傳輸功率直到收到響應(yīng)。功率控制函數(shù)為：

首次仿真，不進(jìn)行任何修改，觀查兩個計算結(jié)點的電池剩余量，發(fā)現(xiàn)控制器結(jié)點在系統(tǒng)運行大約3 s后，電池耗盡，如圖2所示。

圖2　無功率控制能耗曲線

再次仿真，啟用功率控制策略，2 s后功率控制策略被激活，控制器結(jié)點在系統(tǒng)運行5 s后，電池耗盡，如圖3所示。而此時，通過圖4看到測量值在有些時候會偏離參考值，這個可能是由于在該結(jié)點執(zhí)行功率控制策略時，由傳感器讀取數(shù)據(jù)的丟失所引起的。

圖3　啟用功率控制能耗曲線

將傳輸功率為減少5 dBm，此時節(jié)點的傳輸功率為15 dBm，經(jīng)計算得出最遠(yuǎn)傳輸距離縮減為45.27 m，大于傳感器/執(zhí)行器與控制器之間的距離設(shè)定，所以整體性能不受影響，采樣偏離預(yù)估值的情況有所有好轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)的魯棒性增強，系統(tǒng)輸出仿真曲線如下頁圖5所示。

圖5　低傳輸功率下系統(tǒng)輸出仿真曲線

4　結(jié)語

隨著工業(yè)制造4.0發(fā)展的進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)在控制領(lǐng)的應(yīng)用回越來越廣泛，而無線網(wǎng)絡(luò)在部署、維護(hù)與擴展性上的優(yōu)勢正迎合了這一發(fā)展的需求［4］。本文討論了無線網(wǎng)絡(luò)控制的建模與仿真技術(shù)，對無線網(wǎng)絡(luò)直流伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與實驗，并對功率控制與穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，給出了最優(yōu)發(fā)射功率控制閾值。

［1］朱其新.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與建模［J］.信息與控制，2003（1）:5-8.

［2］王巖.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009: 118-129.

［3］趙賢林.基于TrueTime的無線網(wǎng)絡(luò)功率控制系統(tǒng)［J］.計算機工程，2010（10）:127-128.

［4］田波.基于Truetime的無線網(wǎng)絡(luò)溫度控制系統(tǒng)研究［J］.自動化與儀器儀表，2015（3）:10-11.

（編輯：王璐）

Research and Simulation of Wireless Networks DC Servo Control System

Wang Jian，Liu Xuehua
（China Institute of Software Engineering，Guangzhou University，Conghua Guangdong 510900）

Aiming at the existing wireless transmission power of wireless network control system and system stability problem in the network control system based on TrueTime simulation tools platform，dc servo control system for a typical model for the simulation research，through the power control strategy，the network protocol and power control parameters setting，eventually making system runs in a stable state.

WNCS；TrueTime；transmission power control

TP273

A

2095-0748（2015）21-0080-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.35

2015-10-12

廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院2014年科學(xué)研究課題立項（編號：KY201413）

王健（1981—），男，湖北黃岡人，碩士，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)化測控、信息安全；劉雪花（1983—），湖北黃石人，碩士，講師，研究方向：自動化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。