基于TrueTime的無線網絡控制系統仿真研究

石戰成，杜 鋒

（海南大學 信息科學技術學院，海南 海口 570228）

0 引言

通過實時網絡構建的控制系統稱之為網絡控制系統（NCS，Networked Control System）。根據所使用網絡傳輸媒介的不同，NCS可以分為有線網絡控制系統（WNCS，Wire Networked Control Systems）、無線網絡控制系統（WiNCS，Wireless Networked Control Systems）和混合網絡控制系統（HNCS，Hybrid Networked Control Systems）[1]。WiNCS 是基于無線網絡的分布式控制系統,融合了計算機、通信、網絡與控制技術,由于無線網絡控制系統鏈接方便、靈活、可移動性強，可存在于相當惡劣的環境中，易于維護和升級，良好的可拓寬性等優點，WiNCS已經成為國內外控制界的研究熱點。

影響WiNCS性能的因素有很多，主要包括時延、丟包、干擾等不確定因素和調度策略、網絡通信協議、功率控制等。在WiNCS研究中,需要用仿真工具驗證所提出的理論與方法的有效性。目前，最常用的仿真工具是Truetime工具箱，它是由瑞典Lund 工學院的Dan Henriksson 和Anton Cervin等學者開發的一種基于Matlab 的實時控制與網絡控制仿真工具箱。利用該工具箱，結合無線網絡控制系統實例對影響系統性能的一些因素進行了仿真研究。

1 Truetime工具箱介紹

Truetime工具箱[2]是一種基于Matlab 圖形化仿真環境Simulink的一種聯合仿真工具箱, 能夠同時支持控制與實時調度, 利用此仿真工具箱可以對網絡時延、數據丟包、干擾、控制方法、網絡調度等多方面進行綜合仿真研究。仿真使用的是Truetime1.5工具箱，由實時內核模塊(TrueTime Kemel)、有線網絡模塊(TrueTime Network)、無線網絡模塊(TrueTime Wireless Network)、電池模塊(TrueTime Batter)、發送消息模塊(ttSendMsg)和接收消息模塊(ttGetMsg)六個功能模塊組成。

研究無線網絡控制系統，需要用到實時內核模塊、無線網絡模塊和電池模塊。其中，實時內核模塊被用作網絡控制系統的網絡節點，如傳感器、控制器、執行器和干擾節點等，具有靈活的實時內核，內嵌A/D和D/A轉換器接口、網絡接口、外部中斷通道以及多任務調度和監控輸出接口，按照用戶定義的任務工作，任務是由用戶編寫的代碼函數實現，代碼的編寫可以采用Matlab或C++語言；無線網絡模塊被用作為WiNCS的通信網絡，可以在該模塊的對話框中方便的定義網絡參數，如MAC、傳輸速率、重傳次數等。Truetime1.5支持IEEE 802.11b/g (WLAN)[3]和IEEE 802.15.4(ZigBee)[4]兩種無線網絡協議；電池模塊為內核模塊提供電源功率。

2 仿真系統建立

采用直流伺服電機模型為被控對象，其傳遞函數為：G(s)=800/(s2+s)；系統參考輸入采用方波，為提高WiNCS的快速性和穩定性，控制器采用比例微分(PD)控制算法[5]：

圖1 WiNCS仿真系統

該WiNCS仿真系統中包含一個無線網絡模塊和三個計算機節點，這三個節點分別為傳感器/執行器節點(節點1)、控制器節點(節點2)和干擾節點(節點3)。時間驅動的傳感器/執行器節點周期性地對過程采樣并將采樣值經無線網絡發送給控制器節點，事件驅動的控制器節點計算控制信號并將結果經無線網絡發送回傳感器/執行器節點，執行控制信號。干擾節點用與實施干擾任務，以便研究干擾對系統性能的 影響。

3 仿真研究

3.1 采樣周期對WiNCS的影響

傳感器的采樣周期是指傳感器兩次采樣之間的時間間隔，在傳感器初始化程序中可以修改采樣周期的大小。圖2給出了不同采樣周期下的WiNCS性能曲線，其中橫坐標表示仿真時間，縱坐標是響應輸出，r為給定參考值，圖2（a）中的y1、圖2（b）中的y2和圖2（c）中的y3分別是采樣周期為15 ms、10 ms和5 ms時系統響應曲線。由圖可知，y1和y3的(即采樣周期為15 ms和5 ms時)超調量及波動較大，系統性能較差，y2與給定值較接近，幾乎沒有波動，系統性能較穩定。可見，當采樣周期過大時，很多有用信號不能被采樣得到，從而使系統性能變差；當采樣周期過小時，相鄰采樣值相差不大，并且由于過多的采樣增加了網絡負載，進而導致系統性能變差。所以采用周期的選取不宜過大，也不宜過小，選取要適當。

3.2 數據傳輸速率對WiNCS的影響

數據傳輸速率是描述傳輸系統的重要技術指標之一，主要跟網絡的布線方式、傳輸介質及網絡協議有關。通過網絡模塊的設置，對不同傳輸速率下的響應曲線進行了比較分析，結果如圖3所示，圖3（a）中的y1、圖3（b）中的y2和圖3（c）中的y3分別是傳輸速率為200 kb/s、800 kb/s、1 500 kb/s時的系統輸出曲線。由圖可知，y1的超調量和波動最大，y2較好，y3最穩定。仿真結果表明：數據傳輸速率過小時WiNCS控制性能較差，傳輸速率越大時WiNCS的控制效果越好，但受網絡協議、傳輸介質等現實條件的制約，傳輸速率不可能無限增大。因此，在實際應用中，應盡量對網絡進行合理布線，提高數據傳輸速率。

圖3 不同傳輸速率下的WiNCS性能曲線

3.3 干擾對WiNCS的影響

干擾具有隨機性和不確定性，對WiNCS的影響比較大。為了方便，在WiNCS中增設干擾節點(圖1中Node 3)，在干擾節點程序中，通過改變干擾節點占用網絡帶寬(Bwshare)來研究干擾對WiNCS性能的影響。仿真結果如圖4，圖4（a）中的y1、圖4（b）中的y2和圖4（c）中的y3分別是Bwshare為0、0.3和0.6時的系統響應曲線，可見，y1的超調量和調節時間最小，系統最穩定，y2波動較大，y3最不穩定。由仿真結果可知：隨著干擾強度的增加，占用帶寬越來越多，系統性能越來越差，甚至會導致系統不穩定。

圖4 干擾對WiNCS性能的影響

3.4 網絡時延對WiNCS的影響

在網絡環境下，多用戶共享通訊線路且流量變化不規則，所以，當 NCS 的傳感器、控制器和執行器通過網絡交換數據時必然導致網絡時延。時延與采用的網絡的協議、節點的驅動方式、數據包的丟失等因素有關。時延可能大于一個采樣周期，也可能小于一個采樣周期，NCS中存在著不同特性的網絡時延，它可能是恒定的，可能是有界的，也可能是隨機的[6]。網絡時延特性是影響系統性能的關鍵因素。網絡時延會降低網絡控制系統的性能,甚至使系統不穩定[7-8]。這里在沒有干擾的情況下對預設時延進行仿真，將Interfcode.m中的Bwshare設置為0，通過ttSetNetwork Parameter('predelay',value)和ttSetNetworkParameter('postdelay',value)來設置網絡輸入時延和輸出時延。仿真結果如圖5，圖5（a）中的y1、圖5（b）中的y2和圖5（c）中的y3分別是預設時延為2 ms、4 ms和12 ms時的WiNCS性能曲線，y1有一定的波動，y2波動較大，y3完全發散。可見，隨著時延的增加，系統控制性能越來越差，甚至使系統完全失控。

圖5 時延對WiNCS性能的影響

圖6 節點消耗功率對WiNCS性能的影響

此外，對有無功率控制策略對系統性能的影響也作了仿真分析，通過在節點初始化程序中將power controller task注釋掉來實現，仿真結果如圖7所示，圖7（a）中的y1為有功率

3.5 功率對WiNCS的影響

在每個節點的初始化程序中，通過ttSetKernelParameter('energyconsumption', value)設置節點的功率消耗，進行仿真研究。仿真結果如圖6，圖6（a）中的y1、圖6（b）中的y2分別是節點消耗功率為10 mw和30 mw時的系統響應曲線，由圖可知，y1輸出正常，控制性能穩定，y2在仿真時間8 s后無輸出。可見，當節點消耗功率過大時，導致電池能量過早消耗完，使系統失去控制。控制策略時的響應曲線，性能正常，圖7（b）中的y2無功率控制策略，在8 s后無輸出，由此可以看出，功率控制策略是非常有必要的，如果沒有功率控制策略，節點電池也會過快的消耗完，導致系統失控。

圖7 功率控制策略對WiNCS性能的影響

3.6 節點間距離對WiNCS的影響

在WiNCS中，路徑損耗對性能的控制性能影響也是不可忽略的。這里對不同的節點距離時系統的輸出進行了仿真比較，如圖8所示，圖8（a）中的y1、圖8（b）中的y2和圖8（c）中的y3分別是節點間距離為20 m、60 m和90 m時系統的輸出結果，可以看出當節點間距離過大時，由于信號的衰減，最終導致系統完全失控。因此，在實際的控制系統中，要根據節點間的距離來計算路徑損耗，進而選用合適的發射功率。

圖8 節點間的距離對WiNCS性能的影響

4 結語

介紹了無線網絡控制系統及其常用仿真工具Truetime，建立WiNCS仿真系統，對網絡時延、干擾、采樣周期、傳輸速率、功率控制、節點間距離等影響系統性能的因素進行了仿真分析，給出了相應的結論。仿真結果表明，Truetime是研究WiNCS的一個非常有效的仿真工具，可以方便的研究WiNCS的控制性能。對深入理解和研究WiNCS有一定的幫助，在理論教學和實際應用中具有一定的意義。

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

[2] OHL N M, HENR IKSSON D, CERV N A.TRUETIME 1.5—Reference Manual[EB/OL].(2007-01-19) [2008-10-16].http://www.control.lth.se/truetime.

[3] 李喆,曹秀英.新的改進IEEE802.11DCF性能的退避機制[J].通信技術,2010,43(08):46-47.

[4] 柴淑娟,趙建平.基于ZigBee技術的無線數據傳輸系統[J].通信技術,2010,43(08):30-31.

[5] 邱占芝,張慶靈,楊春雨.網絡控制系統的分析與控制[M].北京:科學出版社,2009.

[6] 魏玲,薛定宇,鄂大志.時延網絡控制系統控制方法研究綜述[J].電子測試,2008(03):1-9.

[7] 劉建華,王玉龍.時延網絡控制系統的穩定性分析[J].微計算機信息,2007,23(2-1):311-312.

[8] BEHROOZ R, AMIR H D M, NASER M.Real Time Prediction of Time Delays in a Networked Control System[C].USA:[s.n.], 2008:1242-1245.