基于Truetime网络控制综合系统的仿真.doc

海南大学本科生 — 第2学期
课程考查论文
学院（中心、所）： 信息科学技术学院 专业： 电子信息工程
研究方向： 班级：
学生姓名： 学生证号：
课程名称：
论文题目： 基于Truetime网络控制系统仿真
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（以上由学生填写）
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阅卷老师（署名）： 年 月 日

—————— 目 录 ——————

摘要 …………………………………………………… 3
关键词 …………………………………………………… 3
网络控制系统概述 …………………………………………………… 3
Truetime安装 …………………………………………………… 3

（有线网络控制系统）
一、组成结构 …………………………………………………… 3
二、存在问题 …………………………………………………… 4
三、分散式有线网络控制系统仿真实例 ………………………………… 4
①Network …………………………………………………… 5
网络参数 …………………………………………………… 5
网络模式 …………………………………………………… 8
②Truetime Kernel …………………………………………………… 8
一、传感器 …………………………………………………… 8
二、控制器 …………………………………………………… 10
三、实施器 …………………………………………………… 11
四、干扰节点 …………………………………………………… 11
③被控对象 …………………………………………………… 12

（无线网络控制系统）
一、组成结构 …………………………………………………… 13
二、存在问题 …………………………………………………… 13
三、无线网络控制系统仿真实例 …………………………………… 14
①Network …………………………………………………… 15
②Truetime Kernel …………………………………………………… 17
③被控对象 …………………………………………………… 18

结束语（感想） …………………………………………………… 19
参考文件 …………………………………………………… 19

摘要：
MATLAB是由美国mathworks企业公布关键面对科学计算、可视化和交互式程序设计高科技计算环境。它关键包含MATLAB和Simulink仿真两大部分。伴随科学技术迅猛发展，MATLAB在通讯系统设计和仿真中应用也越来越广泛。而网络控制系统又是电子专业课程极其关键一部分，故掌握好网络控制系统仿真便显得尤为关键了。本文经过对有线和无线网络控制系统举例，具体地分析了Truetime工具箱中各个模块功效，叙述了有线网络控制系统中数据包丢失、稳定性等问题和无线网络控制系统中功率控制策略问题。

关键词：
MATLAB Truetime 网络控制系统 丢包 干扰节点 稳定性 功率控制

网络控制系统概述：
网络控制系统（NCS，Networked Control System）是指由传感器、控制器和实施器经过通信网络形成实时闭环控制系统。
简单结构以下图所表示：
控制器
实施器
被控对象
传感器
u(t)
r(t) +
y(t)
e(t)

-

Truetime安装
在MATLAB7.0中安装truetime-1.5工具箱：
1、 解压安装包
2、 复制粘贴文件夹truetime-1.5至C:\MATLAB7\toolbox\
3、 打开MATLAB，File→Set Path…, 弹出“Set Path”窗口，点击“Add Folder...”建立C:\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\kernel路径，点击左下角“Save”，再“Close”
4、 假如在Windows XP 中，则进入“控制面版→系统→/高级→环境变量”中添加系统变量及用户变量“TTKERNEL”，建立C:\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\kernel路径；
假如在Win 7中，则进入“控制面版→用户账户和家庭安全→/用户账户→更改我环境变量”建立C:\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\kernel路径，同时添加系统变量及用户变量“TTKERNEL”
5、 将C:\MATLAB7\toolbox\local\startsav.m 中添加以下命令
addpath([getenv('TTKERNEL')])
init_truetime;
6、 在MATLAB7.0中打开C:\MATLAB7\toolbox\local\matlabrc.m，并用M-File Editor中File菜单下“Save Workspace As...”把该文件命名为matlab.mat 保留到原目录
7、 重新开启MATLAB7.0，在Command Window窗口下，以命令行方法输入Truetime，回车，即可看到Truetime仿真工具箱
注：访问examples时，应直接在C:\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\examples下打开。
（若电脑同时安装了多个MATLAB版本软件）

有线网络控制系统
一、组成结构
有线网络控制系统中，有传感器节点、控制器节点、实施器节点和干扰节点。组成结构以下图所表示：

二、存在问题
这种系统存在时延、丢包、多包、乱序问题，这些问题出现会降低系统性能，譬如使系统稳定范围变窄，稳定性变差，严重时甚至使系统失稳。
下面，举一个有线网络系统仿真实例来说明Truetime-1.5中各个模块作用和丢包等问题。
三、分散式有线网络控制系统仿真实例
这是一个分散式有线网络控制系统实例（distributed.mdl）：

简略概述：
该系统包含四个网络节点（皆用Truetime内核模块表示）：Node 4（传感器)，Node 3（控制器），Node 2（实施器）和Node 1（干扰节点）。
可假设u为“冷气”，经过DC Servo(被控对象)作用后变为y“暖气”，再将信号传给Node 4（传感器），将信号传给Network（网络模块），由Node 3（控制器）进行离散PID控制算法处理以后，再将信号传给Node 2（实施器），反作用于DC Servo(被控对象)。
其中，Node 1（干扰节点），它能发送干扰网络通信模拟信号，并在计算机节点中实施干扰高优先级任务。传感器节点采取时间（clock→display）驱动方法对过程进行周期性采样，采样周期为10 ms。

下面，对其逐一模块进行分析：

①Network
全称为Truetime Network （网络模块）是网络控制系统（NCS）通信网络。
网络参数：
Network number网络模块编号
从1算起，无线和有线网络不能使用相同编号。(juli 无线)
Number of nodes 网络节点数
决定了模块Snd和Rcv（输入、输出）大小。若节点数增多，则每个节点所占带宽肯定缩短，造成数据包丢失。

Network number：8
Data rate(bits/s) 网络传输速率
其含义是每秒钟传输二进制数位数。影响网络传输速率原因关键有带宽、延迟和丢包。带宽越窄、延迟时间越长、丢包越严重，则传输速率就越低。
图所表示，将传输速率分别改为800、8000、80000，则能够看出，网速越慢，丢包越严重。

Network number：80000

Network number：8000

Network number：800
Minimum frame size(bytes) 最小帧
若输入信息小于此帧，那么网络将自动填补（以单纯高低电平方法）。
以下图所表示，最小帧分别为40、400，当最小帧为400时，控制系统自动填补，信息严重丢包。

Minimum frame size(bytes)：40

Minimum frame size(bytes)：400
Loss probability(0-1) 传输过程中信息丢失率
丢失信息会占用网络带宽，却不能抵达目标地。

Loss probability(0-1)：0.2

Loss probability(0-1)：0.5
网络模式：
Truetime Network关键支持六种简单网络模型：
CSMA/CD(e.g. Ethernet) 带有冲突检测载波监听随机访问
CSMA/AMP(e.g. CAN) 带有信息优先级仲裁载波监听多路访问
Round Robin(e.g. Token Bus) 令牌总线网络
其默认值为
Bandwidth allooations（带宽）——1000
Slotsize（bits）——20
Cyolic schedule——123 333
Total switch memory（bit）——10000
Switch buffer type（缓冲型开关）——common buffer（常见缓冲）
Switch overflow behavior（开关溢出行为）——retransmit（传输）
FDMA（Frequency Division Multiple Access）频分多址
可调整Bandwidth allooations（带宽）
TDMA（e.g. TTP）Time Division Multiple Access 时分多址
可调整Slotsize（bits）、Cyolic schedule
Switched Ethernet
可调整Total switch memory（bit）、Switch buffer type（缓冲型开关）、Switch overflow behavior（开关溢出行为）。

②Truetime Kernel
其全称为实时内核模块，可用作网络节点。
本例中，内核模块被用为传感器(Sensor) Node4、控制器(Controller) Node3、实施器(Aotuator) Node2、干扰节点(Interference) Node1。
其中，传感器、实施器、干扰节点优先级同为1，控制器优先级为2。
1、 传感器
传感器关键任务是进行周期性地采样，然后把采样值发送给控制器节点。
进入C:\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\examples\distributed\matlab，打开sensor_init.m（传感器节点初始化程序）。

简单说明
作用：初始化传感器节点
ttInitKernel(1, 0, 'prioFP') 要求模拟输入(1)和输出(0)，和节点任务优先级（prio）
%创建传感器节点任务，对传感器节点所用参数(包含中间数据进行初始化)
offset = 0; % offset为偏移量
period = 0.010; % period为采样周期
prio = 1;
ttCreatePeriodicTask('sens_task', offset, period, prio, 'senscode', data); %定义节点任务(周期采样)
disp('Sinit');
%初始化网络
ttCreateInterruptHandler('nw_handler', prio, 'msgRcvSensor');
ttInitNetwork(4, 'nw_handler'); %对网络初始化，其中传感器节点为网络中4号节点

将偏移量改为2，结果为：

offset=0

offset=2
采样周期改为0.020，则其周期性采样频率变小：

打开senscode.m（传感器节点任务程序）能够看到节点任务分3步进行。case1中，data.y = ttAnalogIn(1); %读取模拟端口1信号，存放到data.y，case2中，ttSendMsg(3, data.y, 80); %将存放在data.y信号向端口3控制器端发送。
2、 控制器
其关键任务是接收传感器传过来信号，对控制信号进行计算和处理，并把结果发送到实施器（包含有优先级最高干扰任务）
先Create a new model，设计出控制器内部结构（连接Node 3控制器模型），然后将连接图全部选中，右击选择Create subsystem创建子系统，即可生成Node 3控制器模块(Controller)。然后经过对控制器节点初始化，节点任务和网络中止程序进行编辑，分别建立对应M文件。

3、实施器
其关键任务是接收控制器传过来信号，并实施任务。实施器制作过程和控制器类似，在此不再累述。
4、干扰节点
干扰节点关键任务是模拟网络中信号干扰，其初始化同传感器节点。
干扰节点任务程序 (interfcode.m) ：BWshare = 0; %设置部分网络带宽占用这个节点。将其改为0.7，观察现象。

BWshare=0.0

BWshare=0.7
ttSendMsg(1, 1, 80); %给本身发送80bits信号。BWshare=0.7保持不变，将ttSendMsg(1, 1, 80)改为ttSendMsg(1, 1, 90)，得：

即节点所占网络带宽越长，给本身发送信号越大，干扰作用就越强。

③被控对象
被控对象为。稳定性：信号受到“干扰波动”后，能恢复原有状态能力，即信号抗干扰力。
现将被控对象分别改为和，分别观察系统稳定性以下：

从上图能够看出：在一定范围内，选择不一样被控对象，不影响系统稳定性。

无线网络控制系统
一、组成结构
该系统包含传感器节点、实施器节点和控制器节点，其组成结构以下图所表示：

二、存在问题
无线网络控制系统仍然存在时延、丢包、多包、乱序问题，这些问题出现会降低系统性能，譬如使系统稳定范围变窄，稳定性变差，严重时甚至使系统失稳。
但，所不一样是，有线网络中，功率消耗是不连续、间断，而无线网络中功率消耗是连续，这会造成Truetime中电池能源（Truetime Battery，存在于传感器/实施器节点、控制器节点之中）耗光，从而失去控制效果。所以，在无线网络控制系统中采取了功率控制策略。其效果以下图所表示：

带功率控制程序性能曲线

删除了部分功率控制程序(powctrlcode.m)性能曲线
三、无线网络控制系统仿真实例
这是一个无线网络控制系统实例（wireless.mdl）：

简略概述：
时间（clock→display）驱动传感器/实施器节点(Node1)周期性对过程(DC Servo)采样并将采样值经网络(Wireless Network)发送到控制器节点（Node2）。控制器节点任务是计算控制信号并将结果发送回传感器/实施器节点，实施控制信号。
无线网络控制系统连接同时也是一个功率控制策略。在传感器/实施器节点和控制器节点中实施功率控制任务。

因为无线控制系统和有线控制系统仿真模块有很多相同之处，故在此仅对其做简略叙述和分析：

①Network
无线网络控制系统和有线网络控制系统相比较，其网络模块参数中相同有：Network number（网络模块编号）、Number of nodes（网络节点数）、Data rate(bits/s)（网络传输速率）、Minimum frame size(bytes)（最小帧）Network type（媒体访问控制协议）。
她们功效完全一样，其中，有线网络系统能够支持六种简单网络模型，而无线网络控制系统只能支持两种网络协议: IEEE 802.11b/g(WLAN)和IEEE 802.15.4(ZigBee)。
另外，无线网络系统还增添了三项网络参数：
Transmit power 发射功率
修改发射功率参数，得：

Transmit power=20

Transmit power=40
由上可知：发射功率过大，会造成信号资源浪费。
Receiver signal threshold 接收信号功率门限
功率门限：将部分闲置内核功耗降低至靠近于零状态，而不受其它运行内核影响，这么能够节省功率消耗。

Receiver signal threshold=-48

Receiver signal threshold=-10
可见，功率门限设置得过高，系统将部分并非闲置内核功率也降至靠近于零状态，则造成信号失真。
Pathloss exponent 路径损耗指数
路径损耗在此之意为Node1和Node2之间传送数据时，由Network传输环境引入损耗量。

Pathloss exponent=3.5

Pathloss exponent=5.5
由仿真图可知：路径损耗指数越高，信号损耗越大。
②Truetime Kernel
无线网络控制系统中将Truetime Kernel也用作网络节点，即传感器/实施器节点和控制器节点。
传感器节点将所获信号传输给控制器节点，实施器节点则接收控制器传过来信号，并对被控对象实施任务。
和有线网络控制一样，无线网络控制也是经过对传感器/实施器、控制器节点初始化，节点任务和网络中止程序进行编辑，然后分别建立对应M文件。所不一样是，无线网络控制系统增添了Truetime Battery（电池模块）和功率控制程序。
Truetime battery 电池模块
它连接在内核模块（传感器/实施器节点、控制器节点）反馈环上，经过Simulink积分模块实现功耗改变情况模拟。其输入为CPU速度、发送或接收数据情况、节点功耗等，输出反馈给内核模块。

Watt seconds(Joule)=0.3

Watt seconds(Joule)=0.6
Watt seconds(Joule)是电池模块中参数，意为瓦特秒（焦耳）。由仿真图可知：参数变大，则节点处理信号功率也随之变大。
功率控制程序
分别在传感器/实施器节点、控制器节点对应M文件中创建“功率控制任务”、“功率响应任务”，建立“功率控制程序(powctrlcode.m)”、“功率响应程序(powrespcode.m)”M文件来实施功率控制策略。
③被控对象
被控对象为。稳定性即为信号受到“干扰波动”后，能恢复原有状态能力，即信号抗干扰力。
将被控对象分别改为和，分别观察系统稳定性以下：

和有线网络控制系统所得结论一样：在一定范围内，选择不一样被控对象，并不影响系统稳定性。

结束语（感想）：
学了半个学期MATLAB，关键感受有两方面：
一个是教材问题，我个人是这么认为，入门学习资料最好是带汉字翻译，假如全盘英文专业单词，还要一边做一边查词典，确实很吃力。
还有，就是要多做多练习，碰到不会内容要多查些资料，这么也能够培养自学能力。只有常常去做，才能熟悉各个模块功效，只有多思索才能体会其中乐趣。明白了就知道这没什么太大难度，只不过要求更细心，更有耐心而已。

参考文件：
MATLAB修改稿
基于MATLAB网络控制系统仿真