基于TrueTime的網絡控制系統設計與仿真

蔣蓉蓉，夏榮坤，陳 亮

(安徽工程大學檢測技術與節能裝置省級重點實驗室，安徽蕪湖 241000)

互聯網的發展給人們的生活帶來了許多便利，溝通變得更加快捷。網絡通信代替了點對點通信，網絡控制系統(networked control system，NCS)應運而生。NCS以網絡作為傳輸介質，完成傳感器、控制器和執行器等系統各部件之間的信息交換［1］。正是利用這一特性，閉環回路系統中的各節點無需直接相連，NCS因此具有可遠程控制、節約布線成本、各節點可獨立維護、易于擴展等優點［2］。然而，由于網絡的傳輸特性，時延、干擾等新問題不可避免，降低了系統的性能，嚴重時甚至導致系統失去控制，造成不可預計的后果。除了可優化網絡環境，控制系統的控制器設計仿真研究也是NCS研究的一個重要方面。NCS的仿真設計能驗證控制算法的有效性。目前，網絡控制系統仿真軟件包括 Matlab/Simulink、TrueTime、NS2、OPNET 等［3－4］，種類繁多，但使用難易程度不同，功能也各有側重。其中，TrueTime能與Matlab/Simulink結合使用，且自帶多種協議和調度方案，直觀簡便，因此本文選用TrueTime作為仿真工具。

1 網絡控制系統

網絡控制系統是一種利用網絡作為傳輸媒介來構成閉環回路的系統［5］，是一種各節點呈分布式的反饋控制系統。網絡控制系統分為有線網絡控制系統(wire networked control systems，WNCS)和無線網絡控制系統(wireless networked control systems，WiNCS)。圖1是一個典型的NCS結構。由圖1可知，網絡控制系統的傳輸時延主要由兩大部分組成，即 τk=τsck+τcak，其中:τsck為傳感器到控制器的時延;τcak為控制器到執行器的時延［6］。

圖1 網絡控制系統典型結構

2 模糊PID控制設計

模糊控制可解決傳統控制無法解決或解決效果不佳的問題。在NCS控制器設計中，被控對象包括物理節點和傳輸網絡，其中傳輸網絡比較復雜。模糊控制無需知道精確的系統數學模型，因此非常適合NCS控制器設計。但由于不具有積分環節，模糊控制器很難消除靜態誤差［7］。為了改善其穩態性能，可將模糊控制與PID控制結合，運用模糊推理，實現對PID參數的在線調節，補償網絡時延對系統的影響。在該方法中，PID調節器按無時延進行設計。模糊邏輯調節就是利用參考信號和被控對象輸出間的誤差來調節增益因子的值，使之作用于PID調節器的輸出以達到補償網絡時延的目的。另外，在控制器設計過程中，并不需要網絡時延等具體參數，這恰恰符合網絡時延未知的特性。

模糊PID控制設計借鑒操作人員的經驗和專家的知識建立適當的模糊規則表，根據實際情況自動調整PID的3個參數［8］。本文設計采用自適應模糊PID控制，控制器結構如圖2所示。

圖2 自適應模糊PID控制器結構

模糊PID控制器既具有模糊控制靈活且適應性強的優點，又具有PID控制器精度高的特點。由圖2可知，先求出系統給定值與反饋值的誤差e，然后計算誤差變化率ec，將二者作為輸入量，再將e和ec模糊化，選取模糊規則建立模糊規則表進行模糊推理(對KP、KI和KD三個參數進行修正，實時滿足e和ec對PID參數自整定的要求)，最終解模糊(重心法)得到修正后的PID參數［9］。KP，KI和KD的參數修正按下式計算:

在線運行過程中，控制系統通過對模糊邏輯規則結果的處理、查表和運算完成對PID參數的在線自校正。模糊PID工作流程見圖3。

3 TrueTime結構及功能

在Matlab的command窗口中輸入TrueTime，跳出如圖4所示的窗口。仿真使用TrueTime1.5，包括6個模塊，本文主要用到3個基本模塊:內核模塊(TrueTime Kernel)、有線網絡模塊(TrueTime Network)和無線網絡模塊(TrueTime Wireless Network)。

圖3 模糊PID工作流程

圖4 TrueTime1.5模塊庫

3.1 內核模塊

內核模塊用于構建網絡控制系統中的各節點，例如控制器、傳感器和執行器。它具有數/模和模/數(D/A和A/D)轉換端口、網絡接收和發送(rcv和snd)通道、中斷通道(interrupts)、調度器(schedule)與監視器(monitors)接口等［10］。雙擊內核模塊可對其進行設置。其中，Name of init function(MEX or Matlab)一欄填入對應的節點初始化函數即可初始化對應的內核模塊(節點)，函數可用Matlab或C++編寫。

模塊按照函數中定義的任務執行，以中斷方式產生。內部中斷與定時器相關連，定時器在規定時間或任務完成時觸發;外部中斷與模塊的Interrupts相關連，當信號值改變時觸發;當內外中斷同時觸發時調用預定義的中斷句柄執行中斷服務程序，中斷句柄也可由代碼函數實現［11－12］。在仿真程序運行時，內核執行與不同的任務相關聯的代碼函數，代碼函數返回執行時間。

3.2 網絡模塊

有線網絡模塊用來模擬網絡控制系統的有線網絡，它包括數字信號接收(rcv)和發送(snd)接口、調度(schedule)顯示接口，可以仿真有線網絡的訪問和傳輸過程。其中，接收和發送接口可擴充至多個接口。網絡模塊提供了可以設置的網絡參數，如網絡類型、網絡節點數目、網絡速率、最小幀長度、數據包丟包率等。其中，網絡類型包括CSMA/CD、CSMA/AMP(帶有優先級仲裁的載波偵聽多路訪問)、TDMA、FDMA(頻分多路復用)、Round Robin(令牌總線)和 Switched Ethernet(交換式以太網)6 種［13］。

有線網絡模塊由事件驅動，需傳輸的數據包通常包括收發節點編號、data(如采樣信息或控制律)、傳送時間和實時特性(如優先級)。TrueTime預定義了 Rate-Monotonic(RM，單調速率)、Deadline-Monotonic(DM，截止期單調)、Fixed-Priority(FP，固定優先級)和 EarliestDeadlineFirst(EDF，最小截止期優先)調度［14］4種優先權調度策略。可以根據需要選用一個優先權策略，也可以自行編寫優先權函數，靈活性較高。

無線網絡模塊和有線網絡模塊類似，但被用來模擬無線通信網絡。該模塊提供了IEEE 802.11b/g(WLAN)和 IEEE 802.15.4(ZigBee)兩種網絡類型。需要和有線網絡模塊區別的是，無線網絡中存在連續的功率消耗，一旦模塊的電池能源耗光，系統將會失去控制能力，因此在無線網絡模塊的初始化函數代碼編寫時要創建功率控制和功率響應任務［15］。

4 仿真設計與分析

4.1 WNCS仿真

有線網絡控制系統仿真平臺的被控對象選用倒立擺模型，其傳遞函數為

系統參考輸入信號為單位階躍信號，調度采用prioFP(固定優先級)策略，數據速率為1 000 000 b/s。

分別采用3個內核模塊作為傳感器、控制器和執行器節點。傳感器由時間驅動，控制器和執行器由事件驅動，任務到來時執行。采用一個4節點的有線網絡模塊模擬有線網絡環境，其中1個節點為干擾節點，隨機產生干擾信號擾亂網絡傳輸，另外3個節點分別對應傳感器、控制器、執行器節點。網絡的類型選用CSMA/AMP(CAN)。

在TrueTime環境下建立系統的仿真平臺如圖5所示。其中傳感器按時鐘周期采樣數據，然后將數據通過有線網絡發送給控制器，控制器接收數據后立刻計算控制律，再通過有線網絡發送給執行器，如此循環往復。

圖5 WNCS仿真模型

控制器節點分別采用常規PID和模糊PID兩種控制策略。常規PID不作贅述。模糊PID控制節點的參數初始化設置為:KP=150(比例增益);KI=87(積分增益);KD=17(微分增益);采樣時間周期取0.01 s。然后根據誤差e和誤差變化率ec使用查模糊規則表解模糊來確定PID參數的修正量ΔKP，ΔKI和ΔKD，從而得到 PID控制器的最終PID調節參數:

在仿真程序中通過為變量exectime賦值來返回時延，例如exectime=0.001表示時延為1 ms。無時延時時延均設為0;有時延時均設為0.002 s。控制計算時間設置為0.001 s，則系統閉環預延為0.005 s。

設置好仿真參數后啟動仿真，得到如圖6所示的4種時延對有線網絡控制系統影響的仿真曲線。

圖6 時延對有線網絡控制系統影響的仿真曲線

由圖6可以看到:當系統沒有傳輸時延時，常規PID和模糊PID的控制效果相差不多，超調量幾乎相同，都小于1.2，但模糊PID的響應曲線更平滑;當系統存在網絡時延時，相對于沒有時延的情況，系統的品質明顯變差，有時延模糊PID的超調量約為1.2，而有時延常規PID的超調量明顯大于1.2，證明了模糊PID控制律的優越性。

4.2 WiNCS仿真

無線網絡控制系統仿真平臺的被控對象選用普通的電機模型，其傳遞函數為

系統參考輸入信號為方波信號，網絡類型選用IEEE 802.11b/g(WLAN)。系統的仿真平臺如圖7所示，其設置與有線網絡類似，但與有線網絡的區別是:無線網絡控制同時也是一種功率控制，在傳感器、控制器和執行器3個節點同時進行，周期性地發送ping消息給其他節點，檢測信道傳輸。如果收到回復，就假設信道空閑且傳輸功率最小;反之，就認為傳輸功率一直增加到飽和或再次收到回復。

圖7 WiNCS仿真模型

圖8是時延對無線網絡控制系統影響仿真曲線。同樣采用常規PID和模糊PID兩種控制策略，但由于是無線網絡，仿真只考慮了有時延的情形。

由圖8可知:無線網絡控制系統中存在時延時，常規PID和模糊PID控制律下的對象y基本能跟蹤參考輸入方波的曲線變化，但模糊PID的誤差控制在1.25左右，而常規PID的誤差接近1.4。由此模糊PID的優越性在無線網絡化控制系統仿真模型中得到驗證。

圖8 時延對無線網絡控制系統影響的仿真曲線

5 結束語

本文搭建的基于TrueTime的網絡控制系統仿真平臺中，有線網絡控制系統的控制對象是倒立擺模型，無線網絡控制系統的控制對象是普通電機，而時延的設置也包括系統本身存在的傳輸時延以及一個獨立的干擾節點隨機產生的時延，具有普遍性。本文采用模糊控制設計控制律，對比常規的PID，模糊PID控制效果更好，分別在有線和無線網絡控制系統的仿真中得到了驗證。基于TrueTime工具箱的模型能有效地模擬網絡環境中的時延和隨機干擾的影響，具有實時性，可維持系統的穩定。TrueTime還可實現系統控制和網絡調度的綜合研究。但是本文沒有考慮丟包的影響，因此對網絡控制系統的研究還有待進一步深入。

［1］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.

［2］Halevi Y，Ray A.Integrated communication and control systems:Part I analysis［J］.Journal of Dynamic Systems，Measurement and Control，1998，110(4):367－372.

［3］王慶鳳，陳虹，王萍.基于NS2的網絡控制系統仿真平臺的設計與實現［J］.系統仿真學報，2011，23(2):270－274.

［4］康軍，牛云.網絡化控制系統綜合仿真平臺設計［J］.系統仿真學報，2011，23(9):1842－1848.

［5］岳東，彭晨，Han Q L.網絡控制系統的分析與綜合［M］.北京:科學出版社，2007.

［6］Zhang W.Stability analysis of networked control system［D］.USA:Case Western Reserve University，2001.

［7］Feng D，Ren X.Simulation Research on Fuzzy PID in Network Control System［C］//Process Automation Instrumentation/Zidonghua Yibiao.2013.

［8］Zhang Y，Cheng P，Yin T F.A Stable Adaptive Control Method in Networked Control System［J］.Applied Mechanics and Materials，2012，110:4837－4844.

［9］Peng D，Zhang H，Lin J，et al.Research of networked control system based on fuzzy immune PID controller［M］.Germany:Springer Berlin Heidelberg，2011:141－148.

［10］何堅強，張煥春，經亞枝.基于Matlab環境的網絡控制系統仿真平臺［J］.計算機工程與應用，2005(2):142－145.

［11］張湘，肖建.網絡控制系統的分析與仿真［J］.蘭州交通大學學報，2010，29(3):104－107.

［12］鄂大志，薛定宇，魏玲，等.基于TrueTime的非線性網絡控制系統［J］.東北大學學報:自然科學版，2008，29(9):1232－1235.

［13］劉川來，郭藍天，朱孔陽.基于TrueTime的網絡控制系統的仿真研究［J］.微計算機信息，2011，27(12):109－111.

［14］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(2):24－26.

［15］趙賢林.基于狀態空間的無線網絡控制仿真研究［J］.控制工程，2010，17(1):20－24.