基于Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真研究

曾山，翁正新

0 引言

Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線保真）是近十年來最具代表性的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一。嚴(yán)格來說，Wi-Fi是一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）所持有，目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。

現(xiàn)在，人們已經(jīng)習(xí)慣將Wi-Fi和IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)等同了起來。Wi-Fi源于第一版的IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)——IEEE于1997年起制定的一種無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network, WLAN）標(biāo)準(zhǔn)，其中定義了介質(zhì)訪問接入控制層（MAC層）和物理層。經(jīng)過10余年的發(fā)展和完善，802.11標(biāo)準(zhǔn)相繼出現(xiàn)了很多補(bǔ)充版本，當(dāng)前最流行的應(yīng)屬802.11b/g兩個(gè)版本。

近年來，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)一直是控制界的熱門研究方向，但目前國內(nèi)外對(duì)基于 Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Wireless Networked Control Systems, WNCS）方面的研究還很有限。所以本文試圖基于802.11b/g 標(biāo)準(zhǔn)，以直連方式（Ad Hoc[1]）來構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真模型，研究其可行性和控制性能，并分析網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、采樣周期等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。

1 無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（WNCS）

WLAN（Wireless LAN，無線局域網(wǎng)）準(zhǔn)確表達(dá)了其名稱的含義：WLAN提供了傳統(tǒng)的LAN技術(shù)（例如以太網(wǎng)和令牌環(huán)）的全部特性和優(yōu)點(diǎn)，而它不受線路和電纜的限制。區(qū)域的度量單位也不再是米，而是千米?；A(chǔ)設(shè)施不必埋在地里或藏在墻上，而是能隨組織而移動(dòng)或改變[2]。而且，現(xiàn)在的WLAN技術(shù)已經(jīng)能夠支持LAN運(yùn)行所需要的數(shù)據(jù)速率和互操作性，設(shè)備成本也大幅降低到與商務(wù)和家庭網(wǎng)絡(luò)中有線LAN連接所需費(fèi)用同等的級(jí)別。正是因?yàn)閃LAN具備了上述適合移動(dòng)、靈活便利和低成本等優(yōu)點(diǎn)，使得以 Wi-Fi（IEEE 802.11）為代表的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展，成為了研究和應(yīng)用的熱門方向。

WLAN的這些優(yōu)點(diǎn)也被吸收到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，從而形成了 WNCS。對(duì)于被控對(duì)象為可以運(yùn)動(dòng)的或者對(duì)象所處的環(huán)境，難以用有線網(wǎng)絡(luò)方式連接的場合，WNCS起著不可替代的作用。

在WNCS中，被控對(duì)象、傳感器、控制器和執(zhí)行器可以分布在不同的物理位置，且傳感器到控制器之間及控制器到執(zhí)行器之間，均通過無線方式連接，其典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，可以免去大量的線路連接，節(jié)省系統(tǒng)的構(gòu)建費(fèi)用和維護(hù)成本，還可以滿足一些特殊場合的需求，并且可以大大增強(qiáng)系統(tǒng)組成的靈活性等。但是，在控制系統(tǒng)中引入通信網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)的性能和約束與控制器的性能和約束變得同樣重要[3]。不管是有線網(wǎng)絡(luò)還是無線網(wǎng)絡(luò)，NCS都具有時(shí)延和丟包的特性，只是這些問題在WNCS中往往更加明顯和嚴(yán)重。因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和控制時(shí)，必須考慮時(shí)延、丟包和干擾等基本問題。

2 TrueTime工具箱

仿真是系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，經(jīng)常用到的一種有效手段，因此仿真環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程有著直接影響。對(duì)于WNCS來說，仿真環(huán)境應(yīng)該能同步仿真出各節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生的運(yùn)算、節(jié)點(diǎn)之間的無線通信過程以及傳感器/執(zhí)行器的動(dòng)態(tài)特性。而且，為了模擬系統(tǒng)的各種限制條件（如電源功耗等），仿真模型也應(yīng)該能盡量真實(shí)[4]。

TrueTime是基于MATLAB/Simuhnk的聯(lián)合仿真工具，專門用來仿真分布式的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。利用這種工具箱，可以構(gòu)建分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程、控制任務(wù)執(zhí)行以及網(wǎng)絡(luò)交互的聯(lián)合仿真環(huán)境，還可以很方便地模擬數(shù)據(jù)傳輸率、包的大小和丟包率等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，有利于分析各類參數(shù)對(duì)NCS的性能影響。

在1.5版本的TrueTime工具箱中包括了6個(gè)基本模塊[5]，如圖2所示。

圖2 TrueTime工具箱（1.5版本）基本模塊

TrueTime中的模塊與Simulink中的模塊相連，就可以構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。其中，TrueTime Kernel模塊，具有靈活的事件驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)內(nèi)核、A/D以及D/A轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)接口以及外部中斷通道，能仿真實(shí)現(xiàn)一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)的功能。而TrueTime Wireless Network模塊，則是WNCS中另一最重要的模塊，采用事件驅(qū)動(dòng)的方式仿真實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的功能。當(dāng)前該模塊支持兩種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即 IEEE 802.11b/g（Wi-Fi）和 IEEE 802.15.4（ZigBee）。

3 仿真實(shí)例

下面以一個(gè)典型無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為仿真實(shí)例，分析和研究網(wǎng)絡(luò)傳輸速率、采樣周期、網(wǎng)絡(luò)帶寬等網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。

考慮如下的直流伺服電機(jī)模型為被控對(duì)象

采用如下的離散PID控制器

利用TrueTime工具箱的模塊以及Simulink，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)控制仿真模型，如圖3所示。

圖3 WNCS仿真模型

該模型包含兩個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)Wireless Network模塊。兩個(gè)計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)，分別表示傳感器/執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)和控制器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)均由 TrueTime Kernel模塊與TrueTime Battery模塊組成。設(shè)此兩節(jié)點(diǎn)相距20米，它們通過Wireless Network模塊進(jìn)行通信。

通過 M 程序和模塊配置對(duì)話框，對(duì)各計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)及Wireless Network模塊進(jìn)行初始化，定義傳感器為時(shí)間驅(qū)動(dòng)，執(zhí)行器和控制器均為事件驅(qū)動(dòng)。Wireless Network模塊配置中，選擇IEEE 802.11b/g（WLAN）協(xié)議，即基于Wi-Fi進(jìn)行WNCS仿真研究。此時(shí)，Wireless Network模塊默認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸速率（Data Rate）為 800kbps，傳輸功耗（Transmit Power）為100mW。

首先分析數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì)WNCS控制性能的影響。對(duì)于一般的有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS），信號(hào)通過有線物理介質(zhì)傳輸，傳輸速率穩(wěn)定性可以得到很大保障。而對(duì)于WNCS而言，信號(hào)經(jīng)由電磁波形式在空中傳輸，來自各方的干擾和障礙都將導(dǎo)致其信號(hào)傳輸速率的不穩(wěn)定。因此，考慮傳輸速率對(duì)WNCS控制性能的影響是非常必要的。

仿真結(jié)果如圖4、圖5所示，數(shù)據(jù)傳輸速率對(duì) WNCS控制性能影響很大。當(dāng)傳輸速率為800kbps（默認(rèn)）時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)良好，很快實(shí)現(xiàn)了無靜差跟隨；而當(dāng)傳輸速率下降到100kbps時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)變得很大，系統(tǒng)瀕臨不穩(wěn)定。

圖4 傳輸速率為800kbps

圖5 傳輸速率為100kbps

由圖4、圖5可知，數(shù)據(jù)傳輸速率越快，系統(tǒng)控制性能越好。當(dāng)傳輸速率為800kbps（默認(rèn)）時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)良好，很快實(shí)現(xiàn)了無靜差跟隨；而當(dāng)傳輸速率下降到100kbps時(shí)，系統(tǒng)超調(diào)過大，系統(tǒng)瀕臨不穩(wěn)定狀態(tài)。這說明WNCS對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的依賴。

圖6 采樣周期h為0.004s

圖7 采樣周期h為0.04s

由圖6、圖7可知，當(dāng)采樣周期h過大或過小時(shí)，系統(tǒng)的控制性能都不理想。這是因?yàn)楫?dāng)采樣周期過大，即采樣頻率過低時(shí)，信息不能得到充分采集，導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降，響應(yīng)震蕩加劇，系統(tǒng)瀕臨不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)采樣周期過小，即采樣頻率過高時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸能力有限，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷過大，采集后發(fā)送出的信息容易擁塞，導(dǎo)致延時(shí)以及丟包現(xiàn)象嚴(yán)重，使得 PID控制器不但不能很好地控制對(duì)象，反而加劇了系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的狀態(tài)。

4 結(jié)論

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是自動(dòng)控制領(lǐng)域一個(gè)嶄新的研究方向，其理論還很不完善，值得研究的方向也很多，給控制界帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。針對(duì)這種情況，本文利用TrueTime工具箱及Matlab/Simulink仿真環(huán)境，在基于Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的控制器設(shè)計(jì)以及無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真方面進(jìn)行了研究，證明了該系統(tǒng)的可行性，也分析了網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)如網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率、采樣周期等對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響。

[1] 鄭少仁,王海濤,趙志峰等. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M] .北京:人民郵電出版社,2005.

[2] Cisco Systems公司.思科網(wǎng)絡(luò)技術(shù)學(xué)院教程—無線局域網(wǎng)基礎(chǔ)[M] .北京:人民郵電出版社,2005.

[3] 彭麗萍,岳東.基于 TrueTime的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J] .現(xiàn)代電子技術(shù),2008,24(36): 115-118.

[4] Andersson M, Henriksson D, Cervin A, Arzen K.Simulation of Wireless Networked Control Systems[C] .∥IEEE Industrial Electronics Society. Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control 2005, and the European Control Conference 2005. Seville, Spain.:IEEE Press, 2005: 476.

[5] Andersson M, Henriksson D, Cervin A, Arzen K.TrueTime 1.5 Reference Manual[R] . Department of Automatic Control ,Lund University ,Sweden ,2007.