基于TrueTime的无线网络控制系统仿真研究

石战成，杜 锋

（海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228）

0 引言

通过实时网络构建的控制系统称之为网络控制系统（NCS，Networked Control System）。根据所使用网络传输媒介的不同，NCS可以分为有线网络控制系统（WNCS，Wire Networked Control Systems）、无线网络控制系统（WiNCS，Wireless Networked Control Systems）和混合网络控制系统（HNCS，Hybrid Networked Control Systems）[1]。WiNCS 是基于无线网络的分布式控制系统,融合了计算机、通信、网络与控制技术,由于无线网络控制系统链接方便、灵活、可移动性强，可存在于相当恶劣的环境中，易于维护和升级，良好的可拓宽性等优点，WiNCS已经成为国内外控制界的研究热点。

影响WiNCS性能的因素有很多，主要包括时延、丢包、干扰等不确定因素和调度策略、网络通信协议、功率控制等。在WiNCS研究中,需要用仿真工具验证所提出的理论与方法的有效性。目前，最常用的仿真工具是Truetime工具箱，它是由瑞典Lund 工学院的Dan Henriksson 和Anton Cervin等学者开发的一种基于Matlab 的实时控制与网络控制仿真工具箱。利用该工具箱，结合无线网络控制系统实例对影响系统性能的一些因素进行了仿真研究。

1 Truetime工具箱介绍

Truetime工具箱[2]是一种基于Matlab 图形化仿真环境Simulink的一种联合仿真工具箱, 能够同时支持控制与实时调度, 利用此仿真工具箱可以对网络时延、数据丢包、干扰、控制方法、网络调度等多方面进行综合仿真研究。仿真使用的是Truetime1.5工具箱，由实时内核模块(TrueTime Kemel)、有线网络模块(TrueTime Network)、无线网络模块(TrueTime Wireless Network)、电池模块(TrueTime Batter)、发送消息模块(ttSendMsg)和接收消息模块(ttGetMsg)六个功能模块组成。

研究无线网络控制系统，需要用到实时内核模块、无线网络模块和电池模块。其中，实时内核模块被用作网络控制系统的网络节点，如传感器、控制器、执行器和干扰节点等，具有灵活的实时内核，内嵌A/D和D/A转换器接口、网络接口、外部中断通道以及多任务调度和监控输出接口，按照用户定义的任务工作，任务是由用户编写的代码函数实现，代码的编写可以采用Matlab或C++语言；无线网络模块被用作为WiNCS的通信网络，可以在该模块的对话框中方便的定义网络参数，如MAC、传输速率、重传次数等。Truetime1.5支持IEEE 802.11b/g (WLAN)[3]和IEEE 802.15.4(ZigBee)[4]两种无线网络协议；电池模块为内核模块提供电源功率。

2 仿真系统建立

采用直流伺服电机模型为被控对象，其传递函数为：G(s)=800/(s2+s)；系统参考输入采用方波，为提高WiNCS的快速性和稳定性，控制器采用比例微分(PD)控制算法[5]：

图1 WiNCS仿真系统

该WiNCS仿真系统中包含一个无线网络模块和三个计算机节点，这三个节点分别为传感器/执行器节点(节点1)、控制器节点(节点2)和干扰节点(节点3)。时间驱动的传感器/执行器节点周期性地对过程采样并将采样值经无线网络发送给控制器节点，事件驱动的控制器节点计算控制信号并将结果经无线网络发送回传感器/执行器节点，执行控制信号。干扰节点用与实施干扰任务，以便研究干扰对系统性能的 影响。

3 仿真研究

3.1 采样周期对WiNCS的影响

传感器的采样周期是指传感器两次采样之间的时间间隔，在传感器初始化程序中可以修改采样周期的大小。图2给出了不同采样周期下的WiNCS性能曲线，其中横坐标表示仿真时间，纵坐标是响应输出，r为给定参考值，图2（a）中的y1、图2（b）中的y2和图2（c）中的y3分别是采样周期为15 ms、10 ms和5 ms时系统响应曲线。由图可知，y1和y3的(即采样周期为15 ms和5 ms时)超调量及波动较大，系统性能较差，y2与给定值较接近，几乎没有波动，系统性能较稳定。可见，当采样周期过大时，很多有用信号不能被采样得到，从而使系统性能变差；当采样周期过小时，相邻采样值相差不大，并且由于过多的采样增加了网络负载，进而导致系统性能变差。所以采用周期的选取不宜过大，也不宜过小，选取要适当。

3.2 数据传输速率对WiNCS的影响

数据传输速率是描述传输系统的重要技术指标之一，主要跟网络的布线方式、传输介质及网络协议有关。通过网络模块的设置，对不同传输速率下的响应曲线进行了比较分析，结果如图3所示，图3（a）中的y1、图3（b）中的y2和图3（c）中的y3分别是传输速率为200 kb/s、800 kb/s、1 500 kb/s时的系统输出曲线。由图可知，y1的超调量和波动最大，y2较好，y3最稳定。仿真结果表明：数据传输速率过小时WiNCS控制性能较差，传输速率越大时WiNCS的控制效果越好，但受网络协议、传输介质等现实条件的制约，传输速率不可能无限增大。因此，在实际应用中，应尽量对网络进行合理布线，提高数据传输速率。

图3 不同传输速率下的WiNCS性能曲线

3.3 干扰对WiNCS的影响

干扰具有随机性和不确定性，对WiNCS的影响比较大。为了方便，在WiNCS中增设干扰节点(图1中Node 3)，在干扰节点程序中，通过改变干扰节点占用网络带宽(Bwshare)来研究干扰对WiNCS性能的影响。仿真结果如图4，图4（a）中的y1、图4（b）中的y2和图4（c）中的y3分别是Bwshare为0、0.3和0.6时的系统响应曲线，可见，y1的超调量和调节时间最小，系统最稳定，y2波动较大，y3最不稳定。由仿真结果可知：随着干扰强度的增加，占用带宽越来越多，系统性能越来越差，甚至会导致系统不稳定。

图4 干扰对WiNCS性能的影响

3.4 网络时延对WiNCS的影响

在网络环境下，多用户共享通讯线路且流量变化不规则，所以，当 NCS 的传感器、控制器和执行器通过网络交换数据时必然导致网络时延。时延与采用的网络的协议、节点的驱动方式、数据包的丢失等因素有关。时延可能大于一个采样周期，也可能小于一个采样周期，NCS中存在着不同特性的网络时延，它可能是恒定的，可能是有界的，也可能是随机的[6]。网络时延特性是影响系统性能的关键因素。网络时延会降低网络控制系统的性能,甚至使系统不稳定[7-8]。这里在没有干扰的情况下对预设时延进行仿真，将Interfcode.m中的Bwshare设置为0，通过ttSetNetwork Parameter('predelay',value)和ttSetNetworkParameter('postdelay',value)来设置网络输入时延和输出时延。仿真结果如图5，图5（a）中的y1、图5（b）中的y2和图5（c）中的y3分别是预设时延为2 ms、4 ms和12 ms时的WiNCS性能曲线，y1有一定的波动，y2波动较大，y3完全发散。可见，随着时延的增加，系统控制性能越来越差，甚至使系统完全失控。

图5 时延对WiNCS性能的影响

图6 节点消耗功率对WiNCS性能的影响

此外，对有无功率控制策略对系统性能的影响也作了仿真分析，通过在节点初始化程序中将power controller task注释掉来实现，仿真结果如图7所示，图7（a）中的y1为有功率

3.5 功率对WiNCS的影响

在每个节点的初始化程序中，通过ttSetKernelParameter('energyconsumption', value)设置节点的功率消耗，进行仿真研究。仿真结果如图6，图6（a）中的y1、图6（b）中的y2分别是节点消耗功率为10 mw和30 mw时的系统响应曲线，由图可知，y1输出正常，控制性能稳定，y2在仿真时间8 s后无输出。可见，当节点消耗功率过大时，导致电池能量过早消耗完，使系统失去控制。控制策略时的响应曲线，性能正常，图7（b）中的y2无功率控制策略，在8 s后无输出，由此可以看出，功率控制策略是非常有必要的，如果没有功率控制策略，节点电池也会过快的消耗完，导致系统失控。

图7 功率控制策略对WiNCS性能的影响

3.6 节点间距离对WiNCS的影响

在WiNCS中，路径损耗对性能的控制性能影响也是不可忽略的。这里对不同的节点距离时系统的输出进行了仿真比较，如图8所示，图8（a）中的y1、图8（b）中的y2和图8（c）中的y3分别是节点间距离为20 m、60 m和90 m时系统的输出结果，可以看出当节点间距离过大时，由于信号的衰减，最终导致系统完全失控。因此，在实际的控制系统中，要根据节点间的距离来计算路径损耗，进而选用合适的发射功率。

图8 节点间的距离对WiNCS性能的影响

4 结语

介绍了无线网络控制系统及其常用仿真工具Truetime，建立WiNCS仿真系统，对网络时延、干扰、采样周期、传输速率、功率控制、节点间距离等影响系统性能的因素进行了仿真分析，给出了相应的结论。仿真结果表明，Truetime是研究WiNCS的一个非常有效的仿真工具，可以方便的研究WiNCS的控制性能。对深入理解和研究WiNCS有一定的帮助，在理论教学和实际应用中具有一定的意义。

[1] 岳东,彭晨.Qinglong Han.网络控制系统的分析与综合[M].北京:科学出版社,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.新的改进IEEE802.11DCF性能的退避机制[J].通信技术,2010,43(08):46-47.

[4] 柴淑娟,赵建平.基于ZigBee技术的无线数据传输系统[J].通信技术,2010,43(08):30-31.

[5] 邱占芝,张庆灵,杨春雨.网络控制系统的分析与控制[M].北京:科学出版社,2009.

[6] 魏玲,薛定宇,鄂大志.时延网络控制系统控制方法研究综述[J].电子测试,2008(03):1-9.

[7] 刘建华,王玉龙.时延网络控制系统的稳定性分析[J].微计算机信息,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.