基于Matlab的网络控制系统仿真平台
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节点 3为控制器 ,用于处理参考输入和传感器端 输入的信息 ,并发送结果到执行器节点 。将从网络中 得到的传感器端的输出信号与参考信息进行比较 ,得 到差值 ,再根据控制段设计的系统控制策略计算出控 制量 ,最后通过网络发送给执行结构 [3 - 4 ] 。
控制器由线性控制器 、TrueTime Kernel模块这 2 部分组成 。线性控制器用来处理传感器的信息 ( Rcv 端 ) ; TrueTime Kernel模块共包括 A /D、interrup ts和 rcv 这 3个输入端以及 D /A、Monitors、P、snd 和 Schedule 这 5个输出端 。接口输入信息由 A /D 端进入 ,控制器 因无中断所以 interrup ts端接地 , rcv接收的信息经控 制器处理后 ,由 snd 发送给系统的网络模块 , Schedule 用来监控系统的资源分配情况 。控制器节点使用库函 数 ttgetm sg( ) ,可以得到从网络上传来的传感器的信 息 ;使用 ttsendm sg( ) ,可以给下一个节点发送信息 。 2. 2 执行机构
TrueTime是一种基于 Matlab的实时控制与网络控 制仿真工具箱。该工具箱主要包括 TrueTime Kernel、
19
基于 Matlab的网络控制系统仿真平台 孙君曼 ,等
TrueTime Network这 2类重要模块。它们的工作方式均 采用事件驱动 ,可以构建分布式实时控制系统的动态过 程 、控制任务执行以及网络交互的联合仿真环境 。采用 Simulink仿真模块、C + +、M 文件等形式的软件编写实 现其控制任务 ,并选用多种调度策略和物理层网络协议 对 NCS性能的影响进行研究 ;同时 ,可依据具体时间变 化 ,灵活设计动态调节器 ,以作为系统的补偿 ;可进行更 加灵活的动态调度方法实验以及事件驱动控制系统的 仿真研究 [ 1 - 2 ] 。
控制系统的各组成部分由 TrueTime Kernel模块 构成 ,数据的传递或监控系统的运行由 8 个接口来完 成 ,具有简单灵活的实时内核以及网络接口 、外部通 道 、A /D 和 D /A 转换器接口等 。控制系统信息传递的 网络环境可利用 TrueTime Network 模块达到要求 , 其 主要功能包括灵活使用多种调度策略 ;可设置传输速 率 、媒体访问控制协议 、网络节点数等网络参数 ; 可根 据设定的网络模型模拟数据的接收与发送 ;当模块被 触发时 ,可执行相应的功能 。
节点 2是执行机构 ,主要用于接收及处理控制器 端输出的控制信息 ,并对控制对象输入控制信息 ,使其 执行相应操作 。实验中 , TrueTime Kernel模块接收端 A /D 接地 、执行器无中断信号 Interrup ts接地 、Rcv用 来接收系统的信息 ;在发送端保存 D /A、Monitors、P接 口的输出信号 , Schedule接口用来监控系统的资源分 配情况 。模块选用 ttgetm sg ( )和 ttanalogout( ) 2个库函 数接收信息 ,并把处理后的信息发送给下一个节点 。 2. 3 传感器
2 网络控制系统模型的建立
网络控制系统的模型构成如图 2所示 。
图 2 网络控制系统的模型 Fig. 2 Model of networked control system
这里的控制对象是一个二阶系统 ,状态方程为 :
·
x ( t) = A x ( t) + B u ( t)
y ( t) = C x ( t)
(1)
式中
:
·
x
(
t)
为系统的
n ×1维状态向量 ; u ( t)为
r ×1维
控制向量 ; y ( t) 为 m ×1 维输出向量 ; A 为 n ×n 维 、B
为 n ×r维 、C 为 1 ×n维的矩阵 。
离散化后 ,系统的方程为 :
X ( k + 1) = <X ( k) +γu ( k)
(2)
基于 Matlab的网络控制系统仿真平台 孙君曼 ,等
基于 Matlab的网络控制系统仿真平台
M a tlab 2ba se d S im u la tio n P la tfo rm fo r N e tw o rke d Co n tro l Sys tem
孙君曼 1 邓 玮 1 李莉萍 2 王俊杰 1
(郑州轻工业学院电气信息工程学院 1 ,河南 郑州 450002;开封空分设备集团公司 2 ,河南 开封 475000)
摘 要 : 为了在不同网络情况下对 NCS性能进行比较 ,并且能够方便控制算法研究 ,建立了功能完善的网络控制系统 (NCS)平台 。 对 Matlab / TrueTime主要特点进行了分析 ,并利用其核心模块和网络模块 ,建立了一种 NCS仿真模型 ;详细介绍了基于 TrueTime网络 仿真环境下 NCS仿真模型的构建方法 ,并针对网络传输中出现的问题进行了实验研究和全面分析 ,对 NCS的时延和丢包实验进行了 深入地分析 。实验结果表明该平台为 NCS研究提供了便捷的途径 。 关键词 : 网络控制系统 TrueTime 时延 丢包 Network模块 Kernel模块 中图分类号 : TP13 文献标志码 : A Abstract: To compare the performance of NCS under different network situations, and make the study of control algorithm s easier, the networked control system (NCS) p latform with comp rehensive functions is established. The main features ofMatlab / TrueTime are analyzed, and a NCS simu2 lation model is established by adop ting the kernel and network module ofMatlab / TrueTime. The method of how to establish the simulated model of NCS based on TrueTime network simulation environment is introdced in detail, and the p roblem s occurred in network transm ission are researched by experiments and analyzed comp rehensively. The experiments of time delay and packets loss experiments in NCS are analyzed in detail. The ex2 perimental result indicates that this p latform p rovides easy and rap id path of researching NCS. Keywords: Networked control system (NCS) TrueTime Time delay Packet lost Network module Kernel module
网络节点由 TrueTime Network 构建 ,模块内可方 便地设定网络速度 、传输控制协议以及许多其他的网 络模型参数 ,并按照选定的网络模型模拟数据的接收 与发送情况 。
接收 /发送的信息包括接收方和发送方主机节点 的信息和用户定义的数据 (通常是控制信号或测量信 号 ) 、信息总长度和实时属性参数 (如优先权 、截止时 间等 ) 。在仿真环境下 ,当一条信息传输完成后 ,其将 被存储在目的主机节点的缓冲区 ,并以中断的形式通 知目的主机 。
0 引言
1 网络控制系统结构
目前 ,在控制系统发展进程中 ,以 Internet为网络 环境的网络化控制系统 NCS ( networked control system ) 正逐渐成为研究的热点 。与传统的控制系 统 相比 , NCS主要工作在网络环境中 ,它是一种分布式实时控 制系统 。
NCS系统通过网络进行控制信息的传递 ,所以 ,在 关注控制系统结构的同时 ,更要研究网络传输的一些 重要因素及其对系统的性能影响程度 ,如数据传输单 包多包 、信息安全 、时延以及丢包等 ,这些都是 NCS系 统需要考虑的因素 。
图 1 网络控制系统结构框图 Fig. 1 Structure of NCS
控制器采用 P ID 算法 ,受控对象为线性二阶系统 , 执行器和传感器均为事件驱动 ,网络协议采用 CSMA / CD ( Ethemet) 。通过逐渐加深时延程度和依次增大丢 包量来得到具体的仿真实验数据 ,并分析网络特性对 控制系统性能的影响程度 。以此实验平台为基础 ,可 对控制算法与网络调度等问题进行深入研究 。
修改稿收到日期 : 2009 - 08 - 14。 第一作者孙君曼 ,女 , 1969年生 , 2002 年毕业于华中科技大学控制 理论与控制工程专业 ,获硕士学位 , 副教授 ;主要从事网络化控制系统方 面的研究 。
《自动化仪表 》第 31卷第 3期 2010年 3月
基于 Matlab开发的系统仿真工具 TrueTime 能够 为 NCS仿真提供网络实验环境 、基本结构和良好的物 理系统接口 ,并能够按照 Matlab 的方式调用代码 ,执 行性好 。本文利用 Matlab / TrueTime 提供的 TrueTime Kernel、TrueTime Network模块 ,构建了 NCS仿真模型 。 网络控制系统结构如图 1所示 。
NCS系统的各个节点 ,如传感器、控制器、执行机构 和受控对象分布在网络的不同地方 ,各个节点的结构和 配置都是独立的 ,彼此遥远、互不相知的。因此 ,开展具 体试验研究 NCS的性能具有一定的困难。基于此 ,模拟 网络仿真环境 ,建立 NCS的仿真实验平台 ,并进行分析 和研究系统的性能特点就得到了相应的发展 。
节点 4为传感器模块 ,用于检测受控对象 ,并通过 A /D 转换成数字信息 ,经传感器模块处理之后 ,以数 字量的方式发送给网络模块 ,再经该模块处理后发送 给控制器 。实验中 , Intermp ts、Rcv接地 , 发送端接口 D /A、Snd、Monitors和 P用于输出信号的保存 , Schedule 接口监控系统的资源分配情况 ,并利用 ttanalogin ( )和 ttsendm sg( ) 2 个库函数接收信息 ,并把处理后的信息 发送给系统的下一个节点 。 2. 4 干扰信号节点
式中 : k为采样时刻 , k = { 1, 2, …, n}; < = eAh; h 为采样周
期 。 [5 - 6 ]
ຫໍສະໝຸດ Baidu∫h
γ = eAs dsB 0
本系统使用了 1 个 TrueTime Network和 4 个 Tru2 eTime Kernel模块 。利用 TrueTime Kernel构建传感器 、 控制器 、执行器及干扰信号这 4个节点 ,并与网络一起 构成 NCS系统的仿真模型 。参考信号采用单位阶跃 信号 ,除了 A /D 输入信号是连续信号外 ,其他都是离 散时间信号 。 2. 1 控制器
节点 1产生干扰信号 ,主要是发送堵塞信号到网
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PROCESS AUTOM AT IO N INSTRUM ENTAT IO N Vol131 No13 M arch 2010
基于 Matlab的网络控制系统仿真平台 孙君曼 ,等
络 ,堵塞信号优先在控制器节点执行 ,每个节点都有初 始化脚本和编码函数。 Interrup ts、A /D接口接地 ; Rcv用 来接收系统的信息 ,发送端 Schedule口用来监控系统的 资源分配情况 ,其他接口 D /A、Monitors、P等用于输出信 号的保存。该模块选用了库函数 ttsendm sg( ) 。 2. 5 网络模块
控制器由线性控制器 、TrueTime Kernel模块这 2 部分组成 。线性控制器用来处理传感器的信息 ( Rcv 端 ) ; TrueTime Kernel模块共包括 A /D、interrup ts和 rcv 这 3个输入端以及 D /A、Monitors、P、snd 和 Schedule 这 5个输出端 。接口输入信息由 A /D 端进入 ,控制器 因无中断所以 interrup ts端接地 , rcv接收的信息经控 制器处理后 ,由 snd 发送给系统的网络模块 , Schedule 用来监控系统的资源分配情况 。控制器节点使用库函 数 ttgetm sg( ) ,可以得到从网络上传来的传感器的信 息 ;使用 ttsendm sg( ) ,可以给下一个节点发送信息 。 2. 2 执行机构
TrueTime是一种基于 Matlab的实时控制与网络控 制仿真工具箱。该工具箱主要包括 TrueTime Kernel、
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基于 Matlab的网络控制系统仿真平台 孙君曼 ,等
TrueTime Network这 2类重要模块。它们的工作方式均 采用事件驱动 ,可以构建分布式实时控制系统的动态过 程 、控制任务执行以及网络交互的联合仿真环境 。采用 Simulink仿真模块、C + +、M 文件等形式的软件编写实 现其控制任务 ,并选用多种调度策略和物理层网络协议 对 NCS性能的影响进行研究 ;同时 ,可依据具体时间变 化 ,灵活设计动态调节器 ,以作为系统的补偿 ;可进行更 加灵活的动态调度方法实验以及事件驱动控制系统的 仿真研究 [ 1 - 2 ] 。
控制系统的各组成部分由 TrueTime Kernel模块 构成 ,数据的传递或监控系统的运行由 8 个接口来完 成 ,具有简单灵活的实时内核以及网络接口 、外部通 道 、A /D 和 D /A 转换器接口等 。控制系统信息传递的 网络环境可利用 TrueTime Network 模块达到要求 , 其 主要功能包括灵活使用多种调度策略 ;可设置传输速 率 、媒体访问控制协议 、网络节点数等网络参数 ; 可根 据设定的网络模型模拟数据的接收与发送 ;当模块被 触发时 ,可执行相应的功能 。
节点 2是执行机构 ,主要用于接收及处理控制器 端输出的控制信息 ,并对控制对象输入控制信息 ,使其 执行相应操作 。实验中 , TrueTime Kernel模块接收端 A /D 接地 、执行器无中断信号 Interrup ts接地 、Rcv用 来接收系统的信息 ;在发送端保存 D /A、Monitors、P接 口的输出信号 , Schedule接口用来监控系统的资源分 配情况 。模块选用 ttgetm sg ( )和 ttanalogout( ) 2个库函 数接收信息 ,并把处理后的信息发送给下一个节点 。 2. 3 传感器
2 网络控制系统模型的建立
网络控制系统的模型构成如图 2所示 。
图 2 网络控制系统的模型 Fig. 2 Model of networked control system
这里的控制对象是一个二阶系统 ,状态方程为 :
·
x ( t) = A x ( t) + B u ( t)
y ( t) = C x ( t)
(1)
式中
:
·
x
(
t)
为系统的
n ×1维状态向量 ; u ( t)为
r ×1维
控制向量 ; y ( t) 为 m ×1 维输出向量 ; A 为 n ×n 维 、B
为 n ×r维 、C 为 1 ×n维的矩阵 。
离散化后 ,系统的方程为 :
X ( k + 1) = <X ( k) +γu ( k)
(2)
基于 Matlab的网络控制系统仿真平台 孙君曼 ,等
基于 Matlab的网络控制系统仿真平台
M a tlab 2ba se d S im u la tio n P la tfo rm fo r N e tw o rke d Co n tro l Sys tem
孙君曼 1 邓 玮 1 李莉萍 2 王俊杰 1
(郑州轻工业学院电气信息工程学院 1 ,河南 郑州 450002;开封空分设备集团公司 2 ,河南 开封 475000)
摘 要 : 为了在不同网络情况下对 NCS性能进行比较 ,并且能够方便控制算法研究 ,建立了功能完善的网络控制系统 (NCS)平台 。 对 Matlab / TrueTime主要特点进行了分析 ,并利用其核心模块和网络模块 ,建立了一种 NCS仿真模型 ;详细介绍了基于 TrueTime网络 仿真环境下 NCS仿真模型的构建方法 ,并针对网络传输中出现的问题进行了实验研究和全面分析 ,对 NCS的时延和丢包实验进行了 深入地分析 。实验结果表明该平台为 NCS研究提供了便捷的途径 。 关键词 : 网络控制系统 TrueTime 时延 丢包 Network模块 Kernel模块 中图分类号 : TP13 文献标志码 : A Abstract: To compare the performance of NCS under different network situations, and make the study of control algorithm s easier, the networked control system (NCS) p latform with comp rehensive functions is established. The main features ofMatlab / TrueTime are analyzed, and a NCS simu2 lation model is established by adop ting the kernel and network module ofMatlab / TrueTime. The method of how to establish the simulated model of NCS based on TrueTime network simulation environment is introdced in detail, and the p roblem s occurred in network transm ission are researched by experiments and analyzed comp rehensively. The experiments of time delay and packets loss experiments in NCS are analyzed in detail. The ex2 perimental result indicates that this p latform p rovides easy and rap id path of researching NCS. Keywords: Networked control system (NCS) TrueTime Time delay Packet lost Network module Kernel module
网络节点由 TrueTime Network 构建 ,模块内可方 便地设定网络速度 、传输控制协议以及许多其他的网 络模型参数 ,并按照选定的网络模型模拟数据的接收 与发送情况 。
接收 /发送的信息包括接收方和发送方主机节点 的信息和用户定义的数据 (通常是控制信号或测量信 号 ) 、信息总长度和实时属性参数 (如优先权 、截止时 间等 ) 。在仿真环境下 ,当一条信息传输完成后 ,其将 被存储在目的主机节点的缓冲区 ,并以中断的形式通 知目的主机 。
0 引言
1 网络控制系统结构
目前 ,在控制系统发展进程中 ,以 Internet为网络 环境的网络化控制系统 NCS ( networked control system ) 正逐渐成为研究的热点 。与传统的控制系 统 相比 , NCS主要工作在网络环境中 ,它是一种分布式实时控 制系统 。
NCS系统通过网络进行控制信息的传递 ,所以 ,在 关注控制系统结构的同时 ,更要研究网络传输的一些 重要因素及其对系统的性能影响程度 ,如数据传输单 包多包 、信息安全 、时延以及丢包等 ,这些都是 NCS系 统需要考虑的因素 。
图 1 网络控制系统结构框图 Fig. 1 Structure of NCS
控制器采用 P ID 算法 ,受控对象为线性二阶系统 , 执行器和传感器均为事件驱动 ,网络协议采用 CSMA / CD ( Ethemet) 。通过逐渐加深时延程度和依次增大丢 包量来得到具体的仿真实验数据 ,并分析网络特性对 控制系统性能的影响程度 。以此实验平台为基础 ,可 对控制算法与网络调度等问题进行深入研究 。
修改稿收到日期 : 2009 - 08 - 14。 第一作者孙君曼 ,女 , 1969年生 , 2002 年毕业于华中科技大学控制 理论与控制工程专业 ,获硕士学位 , 副教授 ;主要从事网络化控制系统方 面的研究 。
《自动化仪表 》第 31卷第 3期 2010年 3月
基于 Matlab开发的系统仿真工具 TrueTime 能够 为 NCS仿真提供网络实验环境 、基本结构和良好的物 理系统接口 ,并能够按照 Matlab 的方式调用代码 ,执 行性好 。本文利用 Matlab / TrueTime 提供的 TrueTime Kernel、TrueTime Network模块 ,构建了 NCS仿真模型 。 网络控制系统结构如图 1所示 。
NCS系统的各个节点 ,如传感器、控制器、执行机构 和受控对象分布在网络的不同地方 ,各个节点的结构和 配置都是独立的 ,彼此遥远、互不相知的。因此 ,开展具 体试验研究 NCS的性能具有一定的困难。基于此 ,模拟 网络仿真环境 ,建立 NCS的仿真实验平台 ,并进行分析 和研究系统的性能特点就得到了相应的发展 。
节点 4为传感器模块 ,用于检测受控对象 ,并通过 A /D 转换成数字信息 ,经传感器模块处理之后 ,以数 字量的方式发送给网络模块 ,再经该模块处理后发送 给控制器 。实验中 , Intermp ts、Rcv接地 , 发送端接口 D /A、Snd、Monitors和 P用于输出信号的保存 , Schedule 接口监控系统的资源分配情况 ,并利用 ttanalogin ( )和 ttsendm sg( ) 2 个库函数接收信息 ,并把处理后的信息 发送给系统的下一个节点 。 2. 4 干扰信号节点
式中 : k为采样时刻 , k = { 1, 2, …, n}; < = eAh; h 为采样周
期 。 [5 - 6 ]
ຫໍສະໝຸດ Baidu∫h
γ = eAs dsB 0
本系统使用了 1 个 TrueTime Network和 4 个 Tru2 eTime Kernel模块 。利用 TrueTime Kernel构建传感器 、 控制器 、执行器及干扰信号这 4个节点 ,并与网络一起 构成 NCS系统的仿真模型 。参考信号采用单位阶跃 信号 ,除了 A /D 输入信号是连续信号外 ,其他都是离 散时间信号 。 2. 1 控制器
节点 1产生干扰信号 ,主要是发送堵塞信号到网
20
PROCESS AUTOM AT IO N INSTRUM ENTAT IO N Vol131 No13 M arch 2010
基于 Matlab的网络控制系统仿真平台 孙君曼 ,等
络 ,堵塞信号优先在控制器节点执行 ,每个节点都有初 始化脚本和编码函数。 Interrup ts、A /D接口接地 ; Rcv用 来接收系统的信息 ,发送端 Schedule口用来监控系统的 资源分配情况 ,其他接口 D /A、Monitors、P等用于输出信 号的保存。该模块选用了库函数 ttsendm sg( ) 。 2. 5 网络模块