无线网络

控制网络论文

题 目 无线网络仿真模型研究

学生姓名 侯咏武

学 号 20081341024

院 系 信控院

专 业 测控一班

指导教师 殷立平

二Ｏ一一 年十月二十九日

1 概述 ........................................................................................................................................................................3 2研究现状 ................................................................................................................................................................3 3 研究意义 ...............................................................................................................................................................3 4 研究内容 ...............................................................................................................................................................4 4.1网络控制系统结构.......................................................................................................................................4 4.2 TRUETIME 工具箱组成................................................................................................................................4 4.3仿真系统建立................................................................................................................................................5 5 仿真研究 ...............................................................................................................................................................6 5.1采样周期对WINCS的影响 ........................................................................................................................6 5.2 数据传输速率对WINCS的影响...............................................................................................................7 6 结语 ........................................................................................................................................................................8 参考文献 ...............................................................................................................................................................8

无线网络仿真模型研究

侯咏武 20081341024

南京信息工程大学测控系，南京 210044

【摘 要】无线网络控制系统（WiNCS，Wireless Networked Control Systems）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,具有无需布线、组网和维护方便、易于扩展以及良好的可移动性等优点。为了研究影响WiNCS控制性能的因素，利用WiNCS惯用的仿真工具Truetime，建立仿真系统，对网络时延、干扰、采样周期、传输速率、功率控制、节点间距离等因素进行了仿真研究，给出了仿真结果及相应的结论，对进一步研究无线网络控制系统有一定的帮助。

【关键词】无线网络控制系统；Truetime；网络时延；传输速率

1 概述

网络控制系统[1-2](Networked Control System, NCS)是一种全分布、网络化实时反馈控制系统，体现了控制系统的网络化、集成化、节点智能化的发展趋势。根据网络传输媒介的不同，NCS 可以分为有线网络控制系统(Wire Networked Control Systems, WNCS) 和无线网络控制系统[3](Wireless Networked Control Systems, WiNCS)。在NCS 研究中，为了验证所提出的理论与方法的有效性，往往需要进行仿真或实验。目前，常用的控制系统仿真工具是Matlab，而Matlab 自有模块不能直接实现NCS 的仿真。文献[4]虽然开发了一种网络控制系统仿真平台，但是该仿真系统缺乏通用性。因此，联合仿真工具——TrueTime 工具箱的出现，为NCS 的研究提供了很好的研究工具。

2研究现状

近年来,随着网络化控制系统NCS ( networked control system) 在流程工业过程控制、发/ 变电厂、机器人、远程医疗、军事、航天航空和交通运输等领域的广泛应用,网络化系统的分析和设计已成为控制理论与应用领域的研究热点之一。 NCS 中,网络的介入,使得数据和信息在网络中传输时不可避免地存在时延。时延由于受到网络所采用的通信协议、网络当时的负荷状况、网络的传输速率和信息包的大小等诸多因素的影响,而呈现出或固定或随 机、或有界或无界的特征,不但会降低系统的控制性能,还会导致系统不稳定,尤其是对某些快速系统影响更大。 传统的处理定常时延的控制方法便不再适用于NCS 的分析与设计。 因此,研究如何处理闭环网络控制系统中随机时变时延的先进控制方法是很有必要的。

3 研究意义

无线网络控制系统的研究方向研究重点之一就是分析现有无线网络控制系统的性能，设计出较好的控制器，这时需要充分考虑通信信道的特性，但目前对于描述无线通信网络特性发面的研究成果还比较少。由于无线网络的高成本和复杂性，本研究利用基Matlab/Simulink的TrueTime 工具箱，构建一个无线网络的仿真模型，模拟无线网络控制系统中传感器、控制器、执行器之间的通信，为后面无线网络控制系统的传输模型研究提供一个研究的载体。 利用TrueTime 工具箱进行NCS 的仿真研究已有了一些研究成果[5-6]。然而，这些文献的研究内容主要是针对系统的稳定性和控制器的设计问题。对于无线网络控制系统来说，需

要考虑的一个重要问题是无线网络系统的功率控制问题，而对于这方面的研究，目前的相关文献还较少，因此，本文利用TrueTime 工具箱实现对无线网络功率控制系统仿真研究。通过对路径损耗函数的研究，得出信号传输的最远距离。在不影响系统性能的前提下，通过节点的功率控制降低节点的发射功率，实现降低节点的能耗，提高网络的生存时间和系统的能效。

4 研究内容

4.1网络控制系统结构

通过网络形成闭环的反馈控制系统，称为网络控制系统（NCS:Networked Control System），即控制系统中的控制器、传感器和执行器通过网络来交换控制及传感等信息。分布式系统（DCS）、工业现场总线系统（FCS）、工业以太网（Ethernet）都属于网络控制系统的范畴。NCS体现了控制系统向网络化、集成化、分布化以及节点智能化的方向发展趋势，在工业控制、运动体控制、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。

4.2 TRUETIME 工具箱组成

TRUETIME 是一种基于MATLAB/SIMULINK 的联合仿真工具, 用来仿真分布式的实时控制系统和网络控制系统。利用这种工具箱可以构建分布式实时控制系统的动态过程、控制任务执行以及网络交互的联合仿真环境。在该仿真环境中, 可以研究各种调度策略和网络协议对控制系统性能的影响。TRUETIME工具箱主要包含了四个模块[9], 即计算机模块(TrueTime

Kernel)、有线网络模块(TrueTime Network)、无线网络模块( True-Time Wireles s Network) 和电池模块( TrueTime Battery) , 如图2 所示。TRUETIME 中的模块与SIMULINK 中的模块相连,就可以构建相应的实时控制系统或网络控制系统。

图2 TRUETIME 模块图

4.3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：

K 表示比例增益， T 为采样周期， d T 为微分常数。利用TrueTime仿真工具箱中的各个模

块,联合Matlab/Simulink仿真环境,建立如图1所示的无线网络控制系统，仿真时，T =0.010，

d K =100 000， d T =0.035，K =1.5，无线网络采用802.11b/g (WLAN)协议。

图3 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。

5 仿真研究

5.1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4（a）中的y1、图4（b）中的y2和图4（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。

图4不同采样周期下的WiNCS性能曲线

5.2 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5（a）中的y1、图5（b）中的y2和图5（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5 不同传输速率下的WiNCS性能曲线

6 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。

参考文献

[1] 邬春学, 韩文冬. 基于Internet 的网络控制系统端到端时延分析[J]. 计算机工程, 2007, 33(22): 158-160.

[2] 杜明芳. 网络诱导随机时延的实时处理对策及程序实现[J]. 计算机工程, 2007, 33(14): 116-117, 153.

[3] 魏 曼, 王 平, 胡国珍, 等. ZigBee 接入EPA 网络的安全策略[J]. 计算机工程, 2008,

34(17): 216-218.

[4] 李洪波, 吴凤鸽, 孙增圻, 等. 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): 1700-1704

[5] 刀学龙, 罗增勇, 蒋华龙. 无线Ad hoc 网络DSR 与TORA 路由协议的性能比较[J]. 玉溪师范学院学报, 2007, 23(8): 74-77.

[6] 张 勇, 郭 达. 无线网状网原理与技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2007.

Wireless network simulation model research

Houyongwu 20081341024

Nanjing University of Information Science&Technology Measurement and control department

Nanjing 210044

【Abstract】Wireless networked control systems is a distributed control system based on wireless network,with integration of computer, communications, networking and control technology, is of no wiring, easy networking and maintenance, and the advantages of easy expansion and good mobility. In order to study the factors that affectthe WiNCS control performance, a simulation system is constructed with the usual simulation tools-Truetime. Andthe network delay, interference, sampling period, transmission rate, power control, distance between the nodes,and other factors affecting system performance are simulated. The simulation results and the corresponding conclusions are given, and these would have some help in the future study of wireless networked control system.

【Key words】wireless networked control systems; Truetime; network time-delay; data rate

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o02w.html