无线网络控制系统联合仿真平台研究

王修凯，帅小应，韩 强

无线网络控制系统联合仿真平台研究

王修凯，帅小应，韩 强

目的：针对无线网络技术在控制领域应用的迫切需求，克服单一仿真平台的局限性，研究设计无线网络控制系统联合仿真平台。方法：采用模块化思想，联合考虑到通信网络与控制系统的动态性，实现控制和网络的全数字与半实物的联合仿真。结果：真实模拟无线网络的动态特性，较为真实地反映了无线网络控制系统的真实情况。结论：联合仿真平台可以实现对控制系统算法和网络参数进行综合的设计与仿真，优化系统的性能，为提高系统的性能提供仿真、验证的实验平台。

无线网络；控制系统；联合仿真

0 引言

无线网络具有部署灵活及支持移动性等优点，因此，在应用对象为可以运动的或者对象所处的环境难以用有线网络方式连接的场合得到广泛的应用。随着无线网络技术与无线传感器网（wireless sensor networks，WSN）的发展，将无线网络技术与WSN应用于控制系统是对有线控制的延伸，是控制技术的一种新的发展趋势，成为当前的热点研究[1]。虽然无线网络与无线传感器网络给控制系统带来了实施方便与灵活、节约成本等好处，但由于无线信道的不可靠及干扰的时变性等，使得传统的无线网络及控制理论与方法直接应用于工业控制领域不能取得满意的系统性能。目前，无线网络控制系统（wireless networks control system，WNCS）的研究还相当不成熟，尤其是国内的研究才刚刚起步，研究的进展不能与应用现状以及实际的迫切需要相适应。

无线网络控制系统的设计不仅要考虑控制算法的设计，同时也要结合网络协议参数的设计，以达到系统的性能最佳。为了验证无线网络控制系统研究成果或者设计算法的有效性，必须利用有效的仿真平台对系统进行仿真与验证。当前流行的网络与控制仿真工具主要有OPNET、NS2、Matlab、TureTime等，都只提供单一仿真方式。单一仿真平台在灵活性或真实性等方面具有一定的局限性。

利用OPNET、Matlab、C++构建联合仿真平台，运用OPNET模拟无线网络的动态特性，利用Matlab构建控制系统，能够实现全数字与半实物联合仿真。无线网络控制系统联合仿真平台能克服单一仿真平台的不足，联合仿真控制系统与通信网络的动态变化真实反映网络及整个WNCS的行为。通过仿真平台，可以实现对控制器算法进行优化设计，对控制系统和网络参数进行综合仿真，为网络控制系统的稳定性、实时性等理论研究提供仿真实验平台。对基于无线网络的控制系统进行联合仿真研究，可为无线网络控制的应用提供技术支持和仿真平台，对无线网络的深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

1 相关研究

无线网络控制系统融合了网络与通信技术、控制技术、计算机技术，具有无需连线、易于扩展与维护等优点。无线网络控制系统拓扑结构如图1所示。

基于无线网络环境控制系统的研究近年来受到国内外的高度重视，成为当前的热点研究。无线网络控制系统的研究主要集中在2个方面：一是先进控制策略的设计与性能分析；二是设计网络调度机制和协议。在WNCS中，控制方面的研究通常仅把网络的一个方面（丢包、延时等）作为控制设计的参数，网络方面主要进行调度策略与通信序列的研究，而针对无线网络控制系统联合仿真平台研究较少。

G.W.Irwin等[1]回顾了无线网络控制系统的现状、工业前景与最近相关的研究；M.Tabbara等[2]针对一类具有扰动的非线性无线网络控制系统，利用Lyapunov稳定性定理分析了闭环系统的输入—输出稳定性；岳东等[3]讨论了无线网络控制系统的跨层设计方法。针对WLAN控制系统，许多研究者对MAC的性能进行了分析，并设计改进MAC协议以实现对无线控制的支持。沈刚[4]提出了无线实时介质访问控制协议，具有最大确定的时延，并分析了突发性实时数据发送时延；范兴刚等[5-6]提出了一种实时性无线介质访问协议，依据不同的信道空闲等待时隙长度区分不同的优先级；曹春生等[7-9]针对工作站具有2类优先级数据帧的工业控制应用中，提出了一种基于竞争的实时介质访问协议，实时数据具有高的优先级，并保证具有有限的时延。

网络仿真技术为网络规划提供可靠的定量依据，以进行科学的网络设计和网络建设，同时提高网络的利用率，优化大型网络控制系统的拓扑结构。现有的无线网络控制系统仿真研究，主要针对设定的网络参数进行控制系统的仿真，主要提供单一仿真方式。当前流行的网络与控制仿真工具主要有OP NET、NS2、TrueTime、Matlab/Simulink等。OPNET、NS2主要用于网络设计与网络协议的仿真研究，但难以建立系统的动态模型和控制算法；TrueTime主要用于控制策略与网络性能对控制系统的影响仿真，对无线网络支持有限；Matlab/Simulink提供了强大的控制系统的仿真功能，但对网络支持有限。Ahmad Al-Hammouri等[10]搭建了基于NS2的仿真平台；彭丽萍等[11]利用Matlab/TrueTime研究了无线网络控制系统仿真。这些仿真平台只能模拟出系统的单一特性，在灵活性与真实性方面具有一定的局限性，无法较为真实地仿真分析无线网络控制系统的网络与控制系统的动态性。清华大学的李洪波等[12]、华中科技大学的杨素林等[13]分别采用Matlab、OPNET或NS2、VC++软件平台研究有线网络控制系统的仿真平台；另外，王庆凤等[14]设计了基于NS2与Matlab的网络控制系统仿真平台。但是，这些平台主要针对现有的有线网络且其反映的网络只能表示出部分特性，没有充分考虑到无线网络的特性。为了研究无线网络控制系统仿真平台，M.S.Hasan等[15]、M.Bartl等[16]分别研究了基于OPNET的无线网络控制系统仿真平台，研究设计外部接口实现OPNET与外部系统数据的共享。该仿真平台主要利用OPNET仿真无线网络环境，并利用接口与外部的控制系统仿真平台进行通信，从而实现较为真实的无线网络控制系统的仿真。此仿真平台功能简单，没有考虑到真实的无线网络环境与针对无线网络特性而采用的先进的控制算法等。

无线网络控制系统的研究还处于起步阶段，应联合考虑网络与控制的动态性，研究设计联合仿真平台，仿真、优化无线网络控制系统的设计，从而达到系统性能的最佳目标。

图1 无线网络控制系统拓扑结构

2 联合仿真平台设计

图2 WNCS仿真平台框架

图3 Esys进程模型

2.1 仿真平台框架设计

在现有网络控制系统仿真研究的基础上，针对无线网络控制系统的特性，设计出联合的无线网络控制系统仿真平台。基于OPNET的无线网络控制系统联合仿真平台的总体框架如图2所示，主要由Matlab控制器/被控对象模块、OPNET无线网络仿真模块、接口模块与Cosim模块4个部分组成。

利用 Matlab/Simulink设计控制系统的受控对象与控制器，实现控制系统的动态仿真；无线网络环境由OPNET仿真平台来模拟实现；OPNET与Matlab之间通过外部接口连接，实现数据的通信与共享；OPNET通过Esys（External System）模块与联合仿真模块（Cosim）之间实现数据交换；Matlab通过MX接口与C语言程序实现通信，从而实现OPNET与Matlab之间数据的共享。

2.2 Esys模型设计

Esys模型是OPNET与外部程序通信的关键模型，Esys进程模型如图3所示。Esys接口在Esys进程模型中给出定义，接口定义如图4所示。

2.3 联合仿真模块Cosim设计

图4 Esys接口定义

Cosim模块是外部程序与OPNET之间的桥梁。Cosim模块通过OPNET的ESD（external system definition）对外接口和中断设计Esys，从而实现OPNET与Cosim模块之间的数据通信；外部程序通过Cosim模块实现与OPNET数据的交换。Cosim模块关键代码如下：

3 仿真实验与效果

3.1 仿真环境

无线网络控制环境下，通过PID控制DC的仿真平台环境（如图5所示）。Plant和controller 2个节点分别代表被控对象与控制器。控制器把控制指令通过无线网络传送到plant节点，再将指令通过接口传送到执行器，并将执行、检测结果通过无线仿真环境返回给控制器。

3.2 控制器设计

图5 仿真环境

DC的传递函数由式（1）给出，即式中：h=0.01s；N=100 000；K=1.5；Td=0.035；Ti=0.14。

3.3 仿真效果

图6与图7为有网络延时和没有网络延时的情况下无线网络控制系统中的参考信号r与输出信息y。由图7可知，网络延时对系统性能存在明显的影响。通过仿真平台可以优化系统的参数设置，从而提高控制系统的性能。

图6 无网络延时的r和y

图7 有网络延时的r和y

4 结语

针对无线网络控制系统的特性，本文利用OPNET、Matlab、C++建立无线网络控制系统联合仿真平台，克服单一仿真平台的局限性。联合仿真平台利用OPNET真实模拟无线网络的动态特性，运用Matlab仿真控制系统的行为特性，较为真实地反映了无线网络控制系统的真实情况。联合仿真平台可以实现对控制系统算法和网络参数进行综合的设计与仿真，优化系统的性能，为提高系统的性能提供仿真、验证的实验平台。

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[1]Irwin G W，Colandairaj J，Scanlon W G.An overview of wireless networks in control and monitoring[C]//Proceeding of ICIC 2006.Kunming：Springer，2006：1 061-1 072.

[2]Tabbara M，Nesic D，Teel A R.Stability of wireless and wireline networked control systems[J].IEEE Trans on Automatic Control，2007，52（9）：1 615-1 630.

[3]岳东，彭晨.网络控制系统的分析与综合[M].北京：科学出版社，2007.

[4]沈刚.网络控制系统实时介质访问控制的研究[D].上海：上海交通大学，2002.

[5]范兴刚，王智，孙优贤.一种实时无线介质访问协议[J].浙江大学学报：工学版，2004（9）：1 127-1 131.

[6]范兴刚.网络控制系统典型通信网络实时特性研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[7]曹春生.实时工业无线局域网介质访问控制协议的研究[D].上海：上海交通大学，2006.

[8]曹春生，张卫东，李锋.具有两类信息的无线局域网实时介质访问协议[J].计算机工程，2007，33（22）：15-17.

[9]曹春生，张奇智，尹汝泼，等.实时无线局域网介质访问控制协议的仿真[J].系统仿真学报，2005，17（3）：718-721.

[10]Ahmad Al-Hammouri，Vincenzo Liberatore.A co-simulation platform for actuator networks[C]//Proc of the 5th International Conference on Embedded Networked Sensor System.Sydney：ACM，2007.

[11]彭丽萍，彭晨，岳东.无线网络环境下控制系统的仿真研究[J].工业控制计算机，2007，20（1）：43-45.

[12]李洪波，吴凤鸽，孙增圻.网络控制系统仿真平台的设计与实现[J].系统仿真学报，2006，18（6）：1 700-1 704.

[13]杨素林.一种基于NS2_VisualC_和Matlab的网络化控制仿真软件的实现[J].计算机与数字工程，2005，33（12）：121-124.

[14]王庆凤，陈虹，王萍.基于NS2的网络控制系统仿真平台的设计与实现[J].系统仿真学报，2011，23（2）：271-274.

[15]Hasan M S，Yu H，Carrington A，et al.Co-simulation of wireless networked control systems over mobile ad hoc network using SIMULINK and OPNET[J].IET Communications，2009，3（8）：1 297-1 310.

[16]Bartl M，Hosek J，Matocha T，et al.Integration of real network components into OPNET modeler co-simulation process[J].WSEAS Transactions on Communications，2010，9（9）：553-562.

（收稿：2014-02-28 修回：2014-05-21）

Research of co-simulation platform for wireless network control system

WANG Xiu-kai1,SHUAI Xiao-ying2,HAN Qiang1
(1.Information Center,the 86th Hospital of the PLA,Dangtu 243100,Anhui Province,China; 2.Department of Computer Science,Chizhou University,Chizhou 247000,Anhui Province,China)

ObjectiveTo design a co-simulation platform for the wireless control system to conquer the defects of single simulation platform.MethodsModular idea,dynamic communication network and control system were used to realize the fully digital and semi physical co-simulation.ResultsThe dynamic wireless network was simulated,and the status of wireless network control system was shown clearly.ConclusionCo-simulation platform can realize comprehensive design and simulation of the control system algorithm and network parameters,and can optimize the performances of the system. [Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：40-42，128]

wireless network;control system;co-simulation

R318；TP393.1

A

1003-8868（2014）11-0040-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.040

王修凯（1973—），男，主任，高级工程师，主要从事信息标准化与网络安全方面的研究工作，E-mail：wxk850565@163.com。

243100安徽当涂，解放军86医院信息中心（王修凯，韩 强）；247000安徽池州，池州学院计算机系（帅小应）