基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

蔣蓉蓉，夏榮坤，陳 亮

(安徽工程大學(xué)檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000)

互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了許多便利，溝通變得更加快捷。網(wǎng)絡(luò)通信代替了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(networked control system，NCS)應(yīng)運(yùn)而生。NCS以網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，完成傳感器、控制器和執(zhí)行器等系統(tǒng)各部件之間的信息交換［1］。正是利用這一特性，閉環(huán)回路系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)無(wú)需直接相連，NCS因此具有可遠(yuǎn)程控制、節(jié)約布線成本、各節(jié)點(diǎn)可獨(dú)立維護(hù)、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)［2］。然而，由于網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性，時(shí)延、干擾等新問(wèn)題不可避免，降低了系統(tǒng)的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)失去控制，造成不可預(yù)計(jì)的后果。除了可優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)仿真研究也是NCS研究的一個(gè)重要方面。NCS的仿真設(shè)計(jì)能驗(yàn)證控制算法的有效性。目前，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真軟件包括 Matlab/Simulink、TrueTime、NS2、OPNET 等［3－4］，種類(lèi)繁多，但使用難易程度不同，功能也各有側(cè)重。其中，TrueTime能與Matlab/Simulink結(jié)合使用，且自帶多種協(xié)議和調(diào)度方案，直觀簡(jiǎn)便，因此本文選用TrueTime作為仿真工具。

1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種利用網(wǎng)絡(luò)作為傳輸媒介來(lái)構(gòu)成閉環(huán)回路的系統(tǒng)［5］，是一種各節(jié)點(diǎn)呈分布式的反饋控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分為有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(wire networked control systems，WNCS)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(wireless networked control systems，WiNCS)。圖1是一個(gè)典型的NCS結(jié)構(gòu)。由圖1可知，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸時(shí)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(shí)延;τcak為控制器到執(zhí)行器的時(shí)延［6］。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

2 模糊PID控制設(shè)計(jì)

模糊控制可解決傳統(tǒng)控制無(wú)法解決或解決效果不佳的問(wèn)題。在NCS控制器設(shè)計(jì)中，被控對(duì)象包括物理節(jié)點(diǎn)和傳輸網(wǎng)絡(luò)，其中傳輸網(wǎng)絡(luò)比較復(fù)雜。模糊控制無(wú)需知道精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，因此非常適合NCS控制器設(shè)計(jì)。但由于不具有積分環(huán)節(jié)，模糊控制器很難消除靜態(tài)誤差［7］。為了改善其穩(wěn)態(tài)性能，可將模糊控制與PID控制結(jié)合，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的在線調(diào)節(jié)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)系統(tǒng)的影響。在該方法中，PID調(diào)節(jié)器按無(wú)時(shí)延進(jìn)行設(shè)計(jì)。模糊邏輯調(diào)節(jié)就是利用參考信號(hào)和被控對(duì)象輸出間的誤差來(lái)調(diào)節(jié)增益因子的值，使之作用于PID調(diào)節(jié)器的輸出以達(dá)到補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的目的。另外，在控制器設(shè)計(jì)過(guò)程中，并不需要網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等具體參數(shù)，這恰恰符合網(wǎng)絡(luò)時(shí)延未知的特性。

模糊PID控制設(shè)計(jì)借鑒操作人員的經(jīng)驗(yàn)和專(zhuān)家的知識(shí)建立適當(dāng)?shù)哪：?guī)則表，根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整PID的3個(gè)參數(shù)［8］。本文設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)模糊PID控制，控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

模糊PID控制器既具有模糊控制靈活且適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又具有PID控制器精度高的特點(diǎn)。由圖2可知，先求出系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差e，然后計(jì)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(guī)則建立模糊規(guī)則表進(jìn)行模糊推理(對(duì)KP、KI和KD三個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正，實(shí)時(shí)滿(mǎn)足e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求)，最終解模糊(重心法)得到修正后的PID參數(shù)［9］。KP，KI和KD的參數(shù)修正按下式計(jì)算:

在線運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)模糊邏輯規(guī)則結(jié)果的處理、查表和運(yùn)算完成對(duì)PID參數(shù)的在線自校正。模糊PID工作流程見(jiàn)圖3。

3 TrueTime結(jié)構(gòu)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(gè)模塊，本文主要用到3個(gè)基本模塊:內(nèi)核模塊(TrueTime Kernel)、有線網(wǎng)絡(luò)模塊(TrueTime Network)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊(TrueTime Wireless Network)。

圖3 模糊PID工作流程

圖4 TrueTime1.5模塊庫(kù)

3.1 內(nèi)核模塊

內(nèi)核模塊用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)，例如控制器、傳感器和執(zhí)行器。它具有數(shù)/模和模/數(shù)(D/A和A/D)轉(zhuǎn)換端口、網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送(rcv和snd)通道、中斷通道(interrupts)、調(diào)度器(schedule)與監(jiān)視器(monitors)接口等［10］。雙擊內(nèi)核模塊可對(duì)其進(jìn)行設(shè)置。其中，Name of init function(MEX or Matlab)一欄填入對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)初始化函數(shù)即可初始化對(duì)應(yīng)的內(nèi)核模塊(節(jié)點(diǎn))，函數(shù)可用Matlab或C++編寫(xiě)。

模塊按照函數(shù)中定義的任務(wù)執(zhí)行，以中斷方式產(chǎn)生。內(nèi)部中斷與定時(shí)器相關(guān)連，定時(shí)器在規(guī)定時(shí)間或任務(wù)完成時(shí)觸發(fā);外部中斷與模塊的Interrupts相關(guān)連，當(dāng)信號(hào)值改變時(shí)觸發(fā);當(dāng)內(nèi)外中斷同時(shí)觸發(fā)時(shí)調(diào)用預(yù)定義的中斷句柄執(zhí)行中斷服務(wù)程序，中斷句柄也可由代碼函數(shù)實(shí)現(xiàn)［11－12］。在仿真程序運(yùn)行時(shí)，內(nèi)核執(zhí)行與不同的任務(wù)相關(guān)聯(lián)的代碼函數(shù)，代碼函數(shù)返回執(zhí)行時(shí)間。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

有線網(wǎng)絡(luò)模塊用來(lái)模擬網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，它包括數(shù)字信號(hào)接收(rcv)和發(fā)送(snd)接口、調(diào)度(schedule)顯示接口，可以仿真有線網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)和傳輸過(guò)程。其中，接收和發(fā)送接口可擴(kuò)充至多個(gè)接口。網(wǎng)絡(luò)模塊提供了可以設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)速率、最小幀長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)包丟包率等。其中，網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型包括CSMA/CD、CSMA/AMP(帶有優(yōu)先級(jí)仲裁的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn))、TDMA、FDMA(頻分多路復(fù)用)、Round Robin(令牌總線)和 Switched Ethernet(交換式以太網(wǎng))6 種［13］。

有線網(wǎng)絡(luò)模塊由事件驅(qū)動(dòng)，需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包通常包括收發(fā)節(jié)點(diǎn)編號(hào)、data(如采樣信息或控制律)、傳送時(shí)間和實(shí)時(shí)特性(如優(yōu)先級(jí))。TrueTime預(yù)定義了 Rate-Monotonic(RM，單調(diào)速率)、Deadline-Monotonic(DM，截止期單調(diào))、Fixed-Priority(FP，固定優(yōu)先級(jí))和 EarliestDeadlineFirst(EDF，最小截止期優(yōu)先)調(diào)度［14］4種優(yōu)先權(quán)調(diào)度策略?？梢愿鶕?jù)需要選用一個(gè)優(yōu)先權(quán)策略，也可以自行編寫(xiě)優(yōu)先權(quán)函數(shù)，靈活性較高。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊和有線網(wǎng)絡(luò)模塊類(lèi)似，但被用來(lái)模擬無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。該模塊提供了IEEE 802.11b/g(WLAN)和 IEEE 802.15.4(ZigBee)兩種網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型。需要和有線網(wǎng)絡(luò)模塊區(qū)別的是，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中存在連續(xù)的功率消耗，一旦模塊的電池能源耗光，系統(tǒng)將會(huì)失去控制能力，因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的初始化函數(shù)代碼編寫(xiě)時(shí)要?jiǎng)?chuàng)建功率控制和功率響應(yīng)任務(wù)［15］。

4 仿真設(shè)計(jì)與分析

4.1 WNCS仿真

有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的被控對(duì)象選用倒立擺模型，其傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)參考輸入信號(hào)為單位階躍信號(hào)，調(diào)度采用prioFP(固定優(yōu)先級(jí))策略，數(shù)據(jù)速率為1 000 000 b/s。

分別采用3個(gè)內(nèi)核模塊作為傳感器、控制器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。傳感器由時(shí)間驅(qū)動(dòng)，控制器和執(zhí)行器由事件驅(qū)動(dòng)，任務(wù)到來(lái)時(shí)執(zhí)行。采用一個(gè)4節(jié)點(diǎn)的有線網(wǎng)絡(luò)模塊模擬有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，其中1個(gè)節(jié)點(diǎn)為干擾節(jié)點(diǎn)，隨機(jī)產(chǎn)生干擾信號(hào)擾亂網(wǎng)絡(luò)傳輸，另外3個(gè)節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)傳感器、控制器、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的類(lèi)型選用CSMA/AMP(CAN)。

在TrueTime環(huán)境下建立系統(tǒng)的仿真平臺(tái)如圖5所示。其中傳感器按時(shí)鐘周期采樣數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給控制器，控制器接收數(shù)據(jù)后立刻計(jì)算控制律，再通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給執(zhí)行器，如此循環(huán)往復(fù)。

圖5 WNCS仿真模型

控制器節(jié)點(diǎn)分別采用常規(guī)PID和模糊PID兩種控制策略。常規(guī)PID不作贅述。模糊PID控制節(jié)點(diǎn)的參數(shù)初始化設(shè)置為:KP=150(比例增益);KI=87(積分增益);KD=17(微分增益);采樣時(shí)間周期取0.01 s。然后根據(jù)誤差e和誤差變化率ec使用查模糊規(guī)則表解模糊來(lái)確定PID參數(shù)的修正量ΔKP，ΔKI和ΔKD，從而得到 PID控制器的最終PID調(diào)節(jié)參數(shù):

在仿真程序中通過(guò)為變量exectime賦值來(lái)返回時(shí)延，例如exectime=0.001表示時(shí)延為1 ms。無(wú)時(shí)延時(shí)時(shí)延均設(shè)為0;有時(shí)延時(shí)均設(shè)為0.002 s?？刂朴?jì)算時(shí)間設(shè)置為0.001 s，則系統(tǒng)閉環(huán)預(yù)延為0.005 s。

設(shè)置好仿真參數(shù)后啟動(dòng)仿真，得到如圖6所示的4種時(shí)延對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)影響的仿真曲線。

圖6 時(shí)延對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)影響的仿真曲線

由圖6可以看到:當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有傳輸時(shí)延時(shí)，常規(guī)PID和模糊PID的控制效果相差不多，超調(diào)量幾乎相同，都小于1.2，但模糊PID的響應(yīng)曲線更平滑;當(dāng)系統(tǒng)存在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延時(shí)，相對(duì)于沒(méi)有時(shí)延的情況，系統(tǒng)的品質(zhì)明顯變差，有時(shí)延模糊PID的超調(diào)量約為1.2，而有時(shí)延常規(guī)PID的超調(diào)量明顯大于1.2，證明了模糊PID控制律的優(yōu)越性。

4.2 WiNCS仿真

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的被控對(duì)象選用普通的電機(jī)模型，其傳遞函數(shù)為

系統(tǒng)參考輸入信號(hào)為方波信號(hào)，網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型選用IEEE 802.11b/g(WLAN)。系統(tǒng)的仿真平臺(tái)如圖7所示，其設(shè)置與有線網(wǎng)絡(luò)類(lèi)似，但與有線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別是:無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制同時(shí)也是一種功率控制，在傳感器、控制器和執(zhí)行器3個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，周期性地發(fā)送ping消息給其他節(jié)點(diǎn)，檢測(cè)信道傳輸。如果收到回復(fù)，就假設(shè)信道空閑且傳輸功率最小;反之，就認(rèn)為傳輸功率一直增加到飽和或再次收到回復(fù)。

圖7 WiNCS仿真模型

圖8是時(shí)延對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)影響仿真曲線。同樣采用常規(guī)PID和模糊PID兩種控制策略，但由于是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，仿真只考慮了有時(shí)延的情形。

由圖8可知:無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中存在時(shí)延時(shí)，常規(guī)PID和模糊PID控制律下的對(duì)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(guī)PID的誤差接近1.4。由此模糊PID的優(yōu)越性在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)仿真模型中得到驗(yàn)證。

圖8 時(shí)延對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)影響的仿真曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文搭建的基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)中，有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是倒立擺模型，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是普通電機(jī)，而時(shí)延的設(shè)置也包括系統(tǒng)本身存在的傳輸時(shí)延以及一個(gè)獨(dú)立的干擾節(jié)點(diǎn)隨機(jī)產(chǎn)生的時(shí)延，具有普遍性。本文采用模糊控制設(shè)計(jì)控制律，對(duì)比常規(guī)的PID，模糊PID控制效果更好，分別在有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真中得到了驗(yàn)證?；赥rueTime工具箱的模型能有效地模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的時(shí)延和隨機(jī)干擾的影響，具有實(shí)時(shí)性，可維持系統(tǒng)的穩(wěn)定。TrueTime還可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的綜合研究。但是本文沒(méi)有考慮丟包的影響，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究還有待進(jìn)一步深入。

［1］王巖，孫增圻.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)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(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23(2):270－274.

［4］康軍，牛云.網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)綜合仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23(9):1842－1848.

［5］岳東，彭晨，Han Q L.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與綜合［M］.北京:科學(xué)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(jiān)強(qiáng)，張煥春，經(jīng)亞枝.基于Matlab環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005(2):142－145.

［11］張湘，肖建.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的分析與仿真［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29(3):104－107.

［12］鄂大志，薛定宇，魏玲，等.基于TrueTime的非線性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，29(9):1232－1235.

［13］劉川來(lái)，郭藍(lán)天，朱孔陽(yáng).基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2011，27(12):109－111.

［14］鄧睿，湯賢銘，俞金壽.基于Truetime工具箱的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延分析［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010(2):24－26.

［15］趙賢林.基于狀態(tài)空間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制仿真研究［J］.控制工程，2010，17(1):20－24.