网络化的控制系统的时延特性分析

网络化的控制系统的时延特性分析

摘 要

随着网络通信技术和计算机网络技术的迅猛发展，从而促使了网络控制系(networked control system，NCS）的出现和发展。所谓的NCS简单的说就是通过实时网络形成的一种闭环反馈控制系统。现以成为国内外的一个新的研究反向。就我国而言，基于网络控制的系统被不断的应用和发展，在技术方面也取得了显著的成绩，但是网络控制系统的技术体系和理论基础远远没有形成。所以深入系统地研究网络控制系统对于国家工业水平的提升，生产力的发展有着重要的意义。网络控制系统具有信息资源共享、连接线数大大减少、分布控制、易于扩展维修、高可靠性等优点。是未来控制系统的重要发展模式。尽管网络控制系统与传统控制系统相比有很多的优势，但是由于网络的介入，通信机制与通信协议的原因，以及网络的带宽有限并且被系统中的各个节点所共享，当传感器、控制器和执行机构通过网络进行数据交换时，不可避免地会出现数据碰撞以及排队等待、网络拥堵、数据包丢失、数据传输时延、网络连接中断等现象，严重时甚至可能导致系统的不稳定。

本文着重分析不同时延分布时对网络控制系统稳定性的影响以及在不同网络环境和不同网络负载时对网络控制系统的稳定性的影响。学习使用truetime仿真平台并练习搭建不同的网络控制系统模型，分别详细的分析不同的情况下对系统性能的影响，为网络控制系统的设计器提供依据。

关键词：网络控制系统; truetime ;网络诱导延时;网络环境 ; 网络负载

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DELAY CHARACTERISTIC ANALYSIS OF

NETWORKED CONTROL SYSTEM

Abstract

With the rapid development of network communication technology and computer network technology, the emergence and development of network control system (control system networked, NCS) has been promoted. The so-called NCS simple said that the formation of a real-time network through a closed-loop feedback control system. Now to become a new research at home and abroad reverse. As far as our country is concerned, the system based on network control has been applied and developed continuously, and has made remarkable achievements in technology, but the technical system and theoretical foundation of the network control system is far from forming. So in-depth and systematic study of the network control system for the improvement of the national industrial level, the development of productive forces is of great significance. Network control system has the advantages of sharing information resources, greatly reducing the number of connecting lines, distribution control, easy to extend maintenance, high reliability and so on. Is an important development model of the future control system. Although the network control system and traditional control system has manyadvantages compared to, but due to the intervention of the network, communication mechanism and the communication protocol, and network limited bandwidth and is shared by all nodes in the system, when the sensor, controller and actuator via the network for data exchange,inevitably will crash data and waiting in line, network congestion and packet loss, data transmission delay, network connection interruption phenomenon, serious when may even lead to system instability. This paper focuses on the analysis of the influence of different time delay on the stability of networked control systems and the stability of network control system under different network environments and loads. Learning to use truetime simulation platform and practice to build different network control system model, respectively, detailed analysis of the impact of different conditions on the system performance, to provide the basis for network control system designer.

Key words: network control system, truetime, network induced delay, network environment,

network load

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目 录

摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ Abstract…………………………………………………………………………………………Ⅱ 1 绪论…………………………………………………………………………………1 1.1 研究的目的与意义………………………………………………………………………1 1.2 网络控制系统研究的现状与方法………………………………………………………1 1.2.1 网络控制系统的研究现状………………………………………………………………1 1.2.2 预测控制…………………………………………………………………………………2 1.2.3 网络控制系统的调度……………………………………………………………………2 1.2.4 鲁棒控制…………………………………………………………………………………3 2 网络控制系统的时延特性……………………………………………………………4 2.1 时延产生的原因……………………………………………………………………………4 2.2 时延的分类…………………………………………………………………………………4 2.3 NCS中信息传输时延的构成………………………………………………………………4 2.4 时延对系统性能的影响……………………………………………………………………5 3 网络控制系统的建模…………………………………………………………………6 3.1 对NCS建模条件的描述…………………………………………………………………6 3.2 网络控制系统的建模……………………………………………………………………6 4 网络控制系统的仿真说明……………………………………………………………8 4.1 MATLAB简述………………………………………………………………………………8 4.2 TrueTime仿真器……………………………………………………………………………8 4.2.1 对TrueTime仿真器的基本认识…………………………………………………………8 4.2.2 truetime功能模块简介…………………………………………………………………9 4.2.3 truetime安装的简要概述………………………………………………………………10 5 不同网络环境对网络控制系统性能的影响………………………………………11 5.1 对网络环境的认识………………………………………………………………………11 5.2 仿真实例…………………………………………………………………………………11 5.3 仿真总结与认识…………………………………………………………………………19 6 不同的网络负载对网络控制性能的影响…………………………………………20 6.1 对网络负载的认识………………………………………………………………………20 6.2 仿真研究…………………………………………………………………………………20 6.3 仿真结果分析总结………………………………………………………………………26 7 不同时延分布时对网络控制系统稳定性的影响…………………………………27 7.1 仿真实例…………………………………………………………………………………27

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7.2 仿真分析与总结…………………………………………………………………………31 实验总结与展望………………………………………………………………………………32 参考文献………………………………………………………………………………………33 致谢……………………………………………………………………………………………35

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1绪论

1.1研究的目的与意义

随着计算机网络的广泛使用和电子通信的飞速发展，智能化的传感器、控制器和执行机构应运而生，这也为网络控制系统的出现和发展打下了一定的物质基础。所谓网络控制系统（networked control system，NCS）就是指通过一系列的网络通信信道将分布于不同地理位置的传感器、控制器和执行器连接起来，从而形成一种分布实时的反馈闭环控制系统。在传统的控制系统系统中采用点对点的结构来实现传感器、控制器和执行器之间的信息传递，相比较来说网络控制系统的优势在于可以实现资源共享和远程分布控制、连线少、结构灵活、成本低、维护方便、通信协议开放等诸多优点[1]。当前虽然大多数工业现场依然采用集散控制系统作为主要的控制方式，但是它的诸多优越性必然会导致它被越来越多的领域所接受，发展前景一片大好。

然而在网络控制系统中，由于通信机制和通信协议的原因，同时由于网络的带宽有限并且系统中各个节点是共享的，因此，当NCS中传感器、控制器和执行器之间的节点在通过网络交换数据时往往会出现多包传输、数据碰撞、网络拥堵、等待排队、网络连接中断等不好的现象，这样就使得网络控制系统不可避免地出现数据传输时延、数据包丢失的问题。延时会降低系统的控制性能，使系统的稳定性范围变窄，甚至造成系统的不稳定。所以，如何处理网络诱导时延对网络控制系统的影响已经成为了网络控制系统的主要挑战。

NCS是集网络通信和控制系统于一体的复杂的控制系统，涉及多种科学领域。如：控制论、计算机科学、软件工程、信息论等。其中控制论、计算机网络技术和信息论是网络控制系统的理论基础。Murray等[24]提出：控制、计算机和通信的集成将是控制科学的一个重要发展方向，网络控制系统则正是这一发展发展方向的具体体现。在网络硬件和设备成本日益下降以及软件业蓬勃发展的今天，对网络控制系统的应用拓展已经是势在必行，也是十分有意义的。

1.2网络控制系统研究的现状与方法

1.2.1网络控制系统的研究现状

网络控制系统是集网络通信和控制科学于一体的复杂的分布式控制系统，并且涉及了多个研究领域。对于NCS进行深入的研究对我国科技的进步、生产力的发展和工业自动化水平的进一步提升有着深远的意义。NCS的研究起始于20世纪80年代末，首先是对关于集成通信控制系统的研究[25、26]，为NCS的发展奠定了一定的基础。随后经过努力的研究和发展，到了20世纪90年代NCS迅速的崛起，在航空航天、设备制造、过程控制、远程医疗和经济管理等领域得到了很大的应用和发展，为NCS揭开了新的篇章。在当今，NCS的研究已经成为了国内外很受重视的研究课题，NCS的研究热潮已经席卷了全球。我国对于NCS的研究相对于其他国家来说比较晚，起源于90年代末的现场总线控制系统（fieldbus

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control system，FCS）的应用。不过经过几代人的不懈努力，我国对于NCS的技术也已经迎头赶上。

就当今而言，NCS的研究主要涉及两个方面[12、13]：一方面通过计算机网络技术从而提高信息传输和远程通信服务质量（quality of service，QOS），另一个方面是通过自动化控制技术来加强系统的稳定性和动态性能（quality of performance，QOP）。简单的来说它们的思想就是：前者是对网络的控制和研究而后者则是通过网络对系统的控制。但是它们的目的都是一致的，就是使系统稳定，满足实时要求地运行。NCS通过近代持续大力的发展，已经结出了丰硕的果实。研究领域广泛涉及连续域、离散域和连续离散混合域。研究对象主要有线性定常系统、线性时变系统、非线性时变系统和非线性定常系统。主要的研究方法包括:预测控制、鲁棒控制、网络调度、智能控制、神经网络、遗传算法、网络切换等。下面将对我所了解的几种研究方法进行简要的简述。

1.2.2预测控制

预测控制是近几年渐渐发展起来起来的一种控制算法，从字面上我们就可以很轻松的得知这种方法的精髓就在于预测两个字上。预测控制主要是对所控制的对象进行一系列的数据分析，对被控对象建立相应的模型，在这个基础上对被控对象进行实时的采样分析以此来提前预知系统需要怎样的参数条件才能处相对稳定地运行，将系统简化为我们能处理的简单的线性系统。往简单了说，预测控制其实就是通过对被控对象建立模型通过大量地实时地数据采集以此将对复杂的系统分析转化成基于对线性系统研究分析的过程[5]。因此预测控制主要适合应用在比较复杂，难于计算的系统中。在预测控制中一般有多步优化、滚动优化反馈校正等控制策略。这些方法都是通过优化改良被控对象在所处系统的调度策略和控制方式，以此使系统所在的控制网络的环境达到一个相对宽松的状态[3]，从而能有效的降低网络时延对系统造成的影响。最后利用MATLAB[4]对采用预测控制算法的系统进行仿真，可以发现系统的动态性能在较之前不使用预测控制的时候有了明显的改善。预测控制的多样性、滚动优化的时变性、在线校正的鲁棒性[7]这些特征使得预测控制能更好的符合复杂系统的拥堵情况和时变情况，这也是它能有效降低网络延时的根本原因。

预测控制由于对被控对象在建立模型的时候要求不高，所以预测控制在工业生产过程中得到了很大的应用。其实预测控制中的核心思想就是预测模型、滚动优化和反馈校正三点[7]。因为在预测控制中对被控对象的预测模型只是对被控对象进行粗略的动态性能描述，所以在进行优化改善的时候难免会与实际情况有着偏差。因此，加入反馈校正，来减小由于一系列因素影响预测模型与实际情况的偏差是很有必要的，这样可以更好的控制网络诱导延时使系统能够更加平稳有效的运行。随着预测控制的理论体系越来越完善，预测控制在控制领域已经占有非常重的地位并且在网络控制系统中已得到了广泛而深远的应用。

1.2.3网络控制系统的调度

在网络控制系统中，系统整个的性能不仅取决于控制算法的有多么高级，也依赖于网

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络的性能，就是说控制网络中的资源配置。所以网络中的信息调度就被逐渐提起，所谓网络调度其实网络控制系统中资源和信息的一种优化配置。简单地说，网络调度就是网络控制系统在进行数据传输的时候为每一个传送对象配置一个比较合理的传送方案。也就是在任意时间内确定发送信息的一组规则，这样来决定谁先发送，发送的多少，以此来维护系统的稳定运行[8]。因为在网络控制系统中各个元器件在进行数据之间的传输的时候往往用的是一个控制网络，才会导致数据碰撞的情况出现，所谓的网络调度为每个传送对象配置一个合理的传送方案的目的就是减少甚至消除数据碰撞、数据丢失的情况，以此来达到优化的目的，从而减小系统中延时，使系统具有良好的控制品质。

随着网络控制系统的发展网络调动策略也相应有了很大的发展，就目前来说主要的调度方法有：静态调度策略（速率单调静态调度策略和基于时间窗的静态带宽分配策略）、动态调度策略（最大误差优先--尝试一次性丢弃调度协议、基于死区的动态调度和基于业务平滑的动态调度等等)[9]。从网络层次来看，网络控制系统的调度方法可以分为两类：网络底层的调度和应用层的调度[10]。对于网络控制系统来说，在不同的环境下对于不同的被控对象，选用正确的网络控制策略对于系统的动态性能输出以及控制品质来说是非常重要的。所以在选用以及设计调度策略的时候一定抓住调度策略的特点以及应用范围。

1.2.4鲁棒控制

说到鲁棒控制就不得不提到一个概念，那就是鲁棒性了。所谓鲁棒性就是指系统的健壮性，往简单了说就是当遇到危险和突发情况的时候系统的生存能力，就像在遇到地震的时候建筑物的抗震能力一样。把它拿到计算机领域就是当计算机或者说计算机中的某个软件在遇到不良情况的时候，比如说网络拥堵等，能否做到不卡顿，不停止工作的能力。将它引入到网络控制系统当中，就是系统在合适的参数下正常的运行，在遇到外界干扰或者突发不良因素影响的时候保持系统当前工作状态的能力。

将鲁棒性引入某个系统中就自让而然出现了鲁棒控制这个概念，在鲁棒控制中要达到前面所说的鲁棒性的要求，就必须要求所引入的控制算法拥有绝对的可靠性，因此鲁棒控制该方法对于对稳定性与可靠性要求比较高的系统很实用。由于网络控制系统主要是应用于工业生产、航空航天、远程医疗等对系统稳定较高的的领域，因此在网络控制系统引入鲁棒控制是很不错的选择。鲁棒控制的设计是在系统较差的情况下设计的，在设计的时候是有专业的人员进行分析和设计的，在设计好后不克轻易的更改系统的参数。这也就决定采用鲁棒控制的系统的可改变性不强，在需要对系统进行优化升级的时候就要重新规划设计了。但是总得来说鲁棒控制这种控制思想对于网络控制系统来说是很适用的。目前来说鲁棒控制在网络控制系统的应用是比较成功的，其中H∞鲁棒控制就是很典型的例子，对动态反馈输出的网络控制系统的稳定性控制方面有很好的效果。

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2网络控制系统的时延特性

2.1时延产生的原因

在NCS中，由于网络通信方式和通信协议的原因以及网络带宽有限、网络负载变化、网络环境改变等因素的影响，当分布于不同地理环境的控制器节点、传感器节点、执行器节点通过网络进行数据交换的时候，往往会出现数据碰撞、排队等待、网络拥堵、数据包丢失、数据包时序错乱等不良现象。所以，当系统中各个节点进行数据交换的时候就会不可避免的出现网络诱导延时。进一步讲，时延（delay）是衡量一个系统通信服务质量的一个重要指标。时延被这样定义，它表示系统中两个节点间传送一位数据所需要的时间，单位用秒或者几分之一秒来表示。

2.2时延的分类

在网络通信领域，通常将时延分为传播时延（propagation delay）、交换时延（switching delay）、存取时延（access delay）和队列时延（queuing delay）等。下面对这几类时延做简要的介绍。

传播延时：指传输信号通过传输线传输的时候需要的时间。从定义上我们就可以看出，传播延时的大小与传输的距离是成正比的。

交换延时：特指传输的信号通过网络中的集线器、交换机、网桥等电子设备所需要的时间。由于这些电子设备在转发数据包的时候存在缺陷，必须要等所有的数据包到达时才能进行发送，所以才会产生交换延时。所以要减小或者消除交换延时必须对网络中的电子设备进行一定的优化。

存取延时：由于在NCS中，系统中的各个节点在进行数据传输的时候是公用一个网络的，也就是说它们拥有共享的通信介质，所以只有在网络（通信介质）空闲的时候才能进行数据的发送接收，所以不可避免就产生了存取延时。

队列延时：在网络控制系统中进行数据包的存储和转发的时候，网络中的每个交换机会将传来的数据包排成队列，如果队列中有包，则新来的包要等待，直到交换机将之前先到的数据包发送完，这种数据包排队等待的时间叫做队列延时。

2.3NCS中信息传输时延的构成

在NCS中，信息传输的主要被分为两类：一类是我们常提到的网络诱导延时；另一类指的是系统中各个设备计算处理的时延，比如说传感器、控制器和执行器完成自身功能所需要的时间。由于网络控制系统的大力发展，目前采用的设备大都是智能设备，它们的采样时间和自身计算处理的时间是很小很小的，所以是可以忽略不计的。所以在NCS中信息传输的时延主要是由于网络诱导延时造成的。

在NCS中，网络诱导延时主要有以下三个因素构成：一是数据包排队等待的时延；二是信息产生的时延，进一步说就是发送端将待发送的信息封装成数据包进入排队队列所需

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要的时间；最后就是我们前面所说的传输延时。下图为典型的网络控制系统：

执行器节点 被控对象 传感器节点

k sckca

反馈控制器

图2-1典型的网络控制系统

可以将整个的网络诱导时延定义为从传感器测量值封装成数据包时刻起到执行器开始执行控制信号时刻所经历的时间。如果用k来表示第k周期整个回路中的网络诱导延时的话，那么有。其中表示第k周期控制器到执行器的时延，kkkkkcasccasc表示第k

周期传感器到控制器的时延。

2.4时延对系统性能的影响

前面我们就已经提到，网络诱导时延对网络控制系统的影响是致命的，时延也是阻碍网络控制系统发展的主要因素之一。网络诱导时延会严重影响系统的动态性能输出并且使系统的稳定性严重地下降。所以我们一定要控制好时延的大小，时延会影响系统的动态性能，当由于一系列原因系统中的延时增加的时候，系统的超调量就会越大，将系统调节到稳定的时间就会越来越长，使系统的运行效率下降，进而造成生产水平的降低和严重的经济损失。再有当操作人员的控制方式失当使时延一直增长的时候就很可能使系统失稳。

对于一个系统来说，我们都知道，采样频率越快，连续系统的控制性能就会越好，但对于NCS来说就会不一样了，因为当加快采样频率的时候就会增加系统的网络负荷，网络负荷增加就会很自然地加大系统的数据传输量，就像前面我们所讲的，数据传输量变大就会增加系统的时延，影响系统的控制性能。所以对于时延不超过一个采样周期的网络控制系统来说，网络的诱导延时和系统的采样周期都会影响系统的稳定性。

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3网络控制系统的建模

3.1对NCS建模条件的描述

对于应用于实际的网络控制系统来说，控制器节点、传感器节点和执行器的节点往往处于不同的地理环境，再加上技术条件的有限和经济条件的限制，我们很难捕获到被控对象实时全面的信息，很难实现完美状态下的状态反馈，只能实现输出反馈控制，所以呢，对NCS的建模是很有必要的，也是很有实用价值和科研价值的。 将图2-1等效成如下图所示的等效结构 执行器节点 被控对象 k u（k） 反馈控制器 传感器节点 y（k） 图3-1 网络控制系统等效结构图

无论scca是否超过一个采样周期，当控制器为现行不变的结构的时候，可以将图

kk2.1等效成图3-1所示的等效结构。其中k为整个闭合环路的网络诱导延时，此时在此处有kkkscca。

利用我们简化的网络控制系统的等效结构，我们可以一定程度上简化系统的建模。所以在一个周期内执行器的输入不是恒定的值，它有两部分组成，一部分是上一周期的控制信号u（k-1），另一部分是当前周期的控制信号u（k）。所以在第k个周期内控制器的输入可以表示为：

u(k1),tkttkku(t)u(k),tkkttkT （3-1）

3.2网络控制系统的建模

考虑线性时不变被控对象，模型可以用以下来表示：

(t)Ax(t)Bu(tk)x （3-2）

y(t)Cx(t) 其中x（t），u（t）和y（t）分别表示被控对象的状态、控制输入和测量输出，A,B,和C是具有相应维数的常数矩阵，它们分别被称作状态矩阵、输入矩阵和输出矩阵。

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要对被控对象进行离散化，在这之前应该做如下假定：

（1）离散化要按照采样周期T进行处理，采样时刻为kT，k取自然数；并且采样脉冲为理想采样脉冲。

（2）采样周期的选择满足香浓采样定理。

（3）控制输入u（t）只在收到传感器信号后发生变化，在相邻采样时刻之间的数值通过保持器保持不变。也就是说：

u（t）=u（kT）=常数;

因为在一个周期内，系统的控制输入为（3-1）表示的那样，所以（3-2）的离散化模型表示为：

x[(k1)T]G(T)x(kT)H1(k)u(kT)H2u(k)u[(k1)T] (3-3) y(kT)Cx(kT)其中，G(T)eAT(T)，H1(k)Tk0eAsBds，H2(k)eAsBds

TkT我们从以上的离散化模型中看出，当NCS中的网络诱导延时k为恒定不变的时候，被控对象是线性时不变的；而当网络诱导延时k在变化的时候，被控对象是线性时变的。

针对我们前面所提到的NCS等效结构图3.1，我们可以将离散化模型用以下模型进行替代：

xc[(k1)T]Acxc(kT)Bcy(kT)  (3-4)

u(kT)Cx(kT)cc我们假设网络诱导延时k是小于采样周期T的，由（3-3）和（3-4）我们可以得到：

x[(k1)T]G(T)x(kT)H1(k)Ccxc(kT)H2(k)Ccx[(k1)T] (3-5)

xc[(k1)T]Acxc(kT)BcCx(kT) (3-6)

x(kT)p(k) 在这里我们定义 x(kT)c我们可以很容易的得到如下的闭环系统模型：

G(T)H1(k)Cc0H2(k)Ccp(k1)p(k)p(k1) Ac00BcC (3-7) 就像我们在前面讲的那样，在动态反馈控制下，弱网络诱导延时是变化的，那么闭环反馈控制系统就是随参数变化的时变系统；如果网络诱导延时是恒定的，那么系统就是线性定常的系统。

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4网络控制系统的仿真说明

网络控制系统的仿真是研究和分析网络控制系统的一种有效的手段。网络控制系统的仿真目的是在于直观的展现出系统的性能，让控制人员能够很好探究影响控制系统的因素，验证所设计的控制系统是否具有可行性。因为网络控制系统是集通信网络，计算机技术和控制科学于一身，横跨多个领域的，智能化的复杂的控制系统，所以对NCS的仿真也是我们所要做的必须课。它跟NCS本身一样，也是横跨多个领域的一门综合性的研究课题。对于网络控制系统的发展来说是很有帮助的，对于科研人员来说也是具有挑战性的。

4.1 MATLAB简述

要对网络控制系统进行仿真就必须要有可以依靠的软件来进行辅助，MATLAB是由美国公司MathWorks出品的商业数学软件，主要被应用于数据开发、算法开发、数据可视化和数值计算等领域。其中，MATLAB强大精确的矩阵运算能力和完美的图形可视化能力得到了控制领域的广泛认可。它包括两个部分，分别是：MATLAB和Simulink。Simulink仿真环境为我们营造了一种图形可视化，用模块搭建系统的仿真环境，这正是我们所需要的。利用MATLAB中的LMI工具箱可以进行网络控制系统中很多问题的仿真研究。目前，基于MATLAB的仿真工具箱有很多，例如，TrueTime和NCS_simu就是两种很典型的对网络控制系统进行仿真的很有效的工具。我主要采用TrueTime工具箱来进行以后NCS的仿真工作，所以下面对TrueTime进行简要的说明。

4.2 TrueTime仿真器

4.2.1对TrueTime仿真器的基本认识

TrueTime是瑞典隆德大学自动化系在2002年的时候推出的，主要是针对网络控制系统的仿真工具箱。这个工具箱是比较全面的，可以很真实的反映出控制系统的控制算法、实时调度的实际情况，在目前来说该软件在控制领域来说是比较理想的虚拟仿真工具。

在对这个仿真软件进一步了解之后，知道在truetime中，它的主要任务就是描述周期活动和非周期性的活动。在这个仿真软件中，所要完成的任务需要我们自己事先设定好，每个任务都由本身的属性和函数代码构成，我们对任务属性的设定和对函数代码的编程将决定着我们对一个系统如何控制，如何进行仿真。在truetime中，也是有中断这个概念的，有外部中断和内部中断两种。这两种中断都与各自的中断通道相连接，外部中断与kernel模块的外部中断相接，而内部中断与计时器相连接，当计数溢出的时候，就如我们知道的那样便执行中断。我们前面已经提到过属性这个概念，在truetime中优先级就属于属性这个范畴，优先级在truetime中是个比较重要的概念，在truetime中有三种优先级：第一种是中断级，它的优先级级别是最高的，我们也可以叫最高优先级；其次是kernel级，它比中断级的等级要低；第三种是任务级，也被叫做最低优先级。正是因为优先级的存在，才能使我们对控制网络进行有策略的调度，是系统按照我们事先设定好的方向运行。

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4.2.2 truetime功能模块简介

在truetime中是由7个功能模块组成的，如下图所示：

图4-1

它们分别是：实时内核模块（truetime kernel）、网络模块（truetime network）、无线网络模块（truetime wireless network）、电池模块（truetime battery）、发送模块（truetime send）、接收模块（truetime receive）、超声网络模块（truetime Ultrasound network）。

实时内核模块可以用作网络控制系统中节点，比如我们提到的传感器节点、控制器节点和执行器节点等都可以用这个模块来进行模拟实现。实时内核模块在整个系统中是占绝对地位，我们所设定的任务，都是靠这个模块来进行数据传输和执行的，是我们仿真环节的大脑。

网络模块相当于我们网络控制系统中网络通信通道，它为我们提供了各种的网络协议和网络参数。可以让我们实现在不同网络环境下，对系统动态性能的影响。

无线网络模块，可以为我们提供在网线网络的情况下进行数据传输的能力。模块电源模块，顾名思义，就是为我们这个仿真系统供电。接收和发送模块就是就是我们系统数据流通的桥梁。

4.2.3 truetime安装的简要概述

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Truetime是基于matlab的仿真工具，所以一定要事先安装matlab，由于要编写函数代码和模块初始化，所以也要安装C++编译器。下面是truetime简单的安装步骤：

（1）下载truetime的安装包

（2）将truetime的文件夹安装到MATLAB目录下的toolbox文件夹

（3）在电脑中设置环境变量TTKERNEL，并且设置的这个环境变量一定要指向我们所下载的安装包中的kernel文件夹。

（4）在matlab\oolbox\\local\\startsav.m中添加 addpath（[getenv(„TTKERNEL‟)]) init_truetime

（5）在matlab中打开matlabrc.m，用SAVE WORKPLACE AS命令将文件名变为matlab.mat

（6）将init-truetime.m文件夹拷到local文件夹下。 （7）在matlab界面中输入truetime，打开软件

5不同网络环境对网络控制系统性能的影响

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5.1对网络环境的认识

在网络控制系统中，控制网络是我们进行数据传输的通道，是我们整个系统运行的大环境。随着网络控制技术、通信技术和计算机技术的发展，控制网络的形式出现了很多。当网络控制系统采用了不同形式的控制网络，也就是说采用的控制体系不同，调度方法不同，自然而然就会影响NCS的控制性能。

控制网络，也叫工业控制网络，是指以网络通信为特征的工业控制系统的集合。网络控制系统之所以能够大范围的应用于工业领域，是因为它具有很强的干扰能力，在一些“低环境”下也能正常工作，容错率高，可靠性强。可以保障工作人员的生命安全，安全性高。控制网络发展到现在已是五花八门。按照IEEE标准划分可以分为：以太网、令牌总线网、令牌环境网和无线局域网。以应用的范围划分又是:以太网、控制网、设备网等。

5.2仿真实例

本章着重介绍在不同的网络环境即采用不同控制网络，会对系统的性能产生怎样的影响。用truetime搭建一个网络控制系统，改变网络模块中的控制网络形式，在不同的情况下进行仿真。图5-1为搭建的网络控制系统：

图5-1 网络控制系统

在其他因素一致的情况下，只改变系统的网络环境，看系统动态性能曲线如何变化。下面是不同网络环境下的网络控制系统的性能曲线和控制器、执行器和传感器数据传输时网络带宽的占用情况。

（1）当控制网络为以太网时，即CSMA/CD(Ethernet)

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图5-2

图5-3

（2）当控制网络为CSMA/AMP(CAN)时

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图5-4

图5-5

（3）当控制网络为Round Robin时

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图5-6

图5-7

（4）当控制网络为频分复多路访问网络（FDMA）时

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（5）当控制网络为时分复用多路访问网络（TDMA）时

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图5-10

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（6）当控制网络为开关以太网（switched ethernet）时

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图5-12

图5-13

（7）当控制网络为NCM时

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图5-14

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5.3仿真总结和认识

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从仿真结果我们可以很明显的得到一个结论，就是：当网络控制系统采用不同控制网络即系统的网络环境发生改变的时候，对系统的动态性能有着很大的影响：在传感器，执行器和控制器互相进行数据传输的时候对网络的占用情况也会产生影响。

之所以会出现这样的情况是因为，当NCS采用不同的控制网络的时候，系统中节点采用的媒体访问控制方式是不一样的，也可以说在不同的网络环境下采用的调度策略和方式不同，同时呢在不同的控制网络下系统的结构体系也互不相同。比较（1）和（6）我们可以看出，当系统的控制网络分别为普通以太网和开关以太网的时候，采用开关以太网的系统的仿真曲线和网络占用情况比（1）都要好的多，主要是由于，在开关以太网中网络节点与中心开关通过全双工连接，与（1）相比在系统进行数据传输和数据包的发送的时候不会出现数据碰撞、数据冲突的情况，当然也就更加不会出现网络拥堵，网络中断的不良现象，这也说明开关以太网在体系结构上与平常的以太网相比更胜一筹。在（4）中，FDMA网络中各个节点在传输数据的时候是相互独立的，不会发生数据碰撞。然而在（5）中，TDMA网络中，在系统进行运行的时候，系统中的各个节点都拥有全部的网络使用权，只是在发送的时候有个先后次序。正是（4）和（5）这种网络协议机制的不同也导致了对NCS动态输出性能的差异。从以上的一系列分析我们可以看出，当网络控制系统的网络环境不系统性能的差异，同时也对用户的网络服务质量造成不同的体验。因此针对不同的网络控制系统，应该挑选最适合该网络控制系统的控制网络，这样才能使系统的性能优越，满足用户要求和生产标准。

从NCS发展到今天，经过前人不断的摸索和实践，已经研发了很多的网络控制模式。同时不同的网络控制模式被相应的运用到适合自己的领域当中，促使着生产力的发展和科技的进步。并且也为后续控制网络的研发打下了坚实的基础。通过对不同网络环境的认识和研究可以对NCS的认识和掌握更进一步。同时也为后续章节的分析与设计奠定了基础。

同的时候，系统中网络的吞吐量，数据包传输的先后次序，访问机制都是不一样的，导致

6不同的网络负载对网络控制性能的影响

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6.1对网络负载的认识

对于一个网络控制系统来说，在进行数据传输的时候，系统中控制器节点，传感器节点，执行器节点都是共用一个控制网络的。控制网络好比是一个输水管道一样，在进行输水的时候，单位时间内输水量是有个极限值得，不可能无限大。同理我们的控制网络也一样，在进行数据传输的时候每秒的数据传输量也是有极限的，这个极限值就是我们系统所能承受的最大传输量，如果一旦超过了这个值就会对系统造成极坏的影响。因此可以认识到，在系统进行数据或者数据包的发送时，就会对系统造成负荷，就是我们所说的网络负载。系统所能承受的最大网络负载也是对我们进行数据传输的一个限制和提醒。

从理想化的角度来看，就是单纯地指网络控制系统中单位时间里通过控制网络的数据量。在这样理想的模型下，网络控制系统的时延也就很好的控制了。但在应用的实际的控制系统下，网络负载除了前面说到的理想负载外，还有许多的外在因素的影响。比如说有干扰信号的影响，系统所处环境产生的影响。还有比较重要的一点，就是在网络控制系统在进行数据传输的时候不可能每一次的传输都是成功送达的，就现在的技术条件来看不可避免的会出现数据传送失败的情况。因此在系统的控制网络中，单位时间内传送成功的数据量才是系统的有效负载，是我们应该正真改关注的。

在网络控制系统中，影响系统控制网络的的因素有很多，比如：加大外界的扰动信号或者增加系统中的数据传输量，都可以增大系统的负载量。在本章通过改变系统的负载，来研究和分析这样会对系统产生怎样的影响。在上一章的基础，对系统进行仿真，观察系统的动态性能曲线，总结出当系统的网络负载在发生变化的时候系统的性能会有怎样的变化。

6.2仿真研究

在上一章的基础上，网络控制系统的控制网络采用CSMA/AMP(CAN)控制网络，通过改变干扰模块进入系统干扰信号的多少（如图6-1所示），进而改变网络控制系统中的网络负载，从而达到我们的仿真目的。在仿真操作的时候我们只需改变Init function argument栏下的值就可以改变进入系统的干扰量。

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图6-1干扰模块

下面的图为，当通过控制干扰模块的时候，慢慢增加进入系统的干扰信号，系统动态性能曲线的变化以为网络带宽的占用情况。

（1）当系统中没有干扰信号进入的时候，即Init function argument栏下的值为0的时候：

图6-2

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图6-3

（2）当Init function argument栏下的值为0.5的时候：

图6-4

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图6-5

（3）当将干扰信号增加到0.7的时候

图6-6

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图6-7

（4）当将干扰信号加大到0.8的时候

图6-8

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图6-9

（5）当将干扰信号给到最大的时候，即Init function argument栏下的值为1的时候：

图6-10

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图6-11

6.3仿真结果分析总结

以上的仿真结果我们可以很清楚的观察到，当干扰信号越多的进入系统，致使网络控制系统的负荷不断的增加，系统的稳定性和控制品质急剧的下降，严重的情况下甚至会导致系统失稳和系统的崩溃。所以在实际的网络控制系统中，一定要时时刻刻关注系统的负荷，一定不能超过系统的承受能力，以免造成重大的损失。当系统中的网络负荷增大的时候，系统中的控制网络就会变得拥堵起来，自然而然地就会产生数据碰撞，数据丢失，数据损坏的现象，不可避免地就会出现网络延时，造成系统的控制品质下降，就像我们的仿真结果表现出的那样。为了尽可能的消除网络负载对控制系统造成的不良影响，应该在系统中添加相对合理的调度策略，是系统的控制网络应该保持较为合理的负载下进行数据的传输，这样既能保证数据流畅无阻地传输也能使网络控制系统安全稳定的运行。

近几年来，随着网络技术的越来越发达，网络控制系统也在大跨步的前进着。控制方式控制算法越先进越发的高级，相应地带给网络的负载负荷也就随之增大，如何有效的提高控制网络的传输性能，也是提高网络控制系统性能的手段之一。从上面的仿真结果我们就可以看出网络负载对于系统性能的影响是非常大的。现在主要改善网络传输性能的方法主要有两个方向，一个就是，在网络进行数据传输的时候不要改变网络的拓扑结构，可以有效地改善网络的传输效果。很多地研究结果说明网络的传输性能不仅由调度策略决定，很大程度上也与系统的拓扑结构有关。另一种改善网络传输性能的方法就是利用或者研发出更加优越的网络拓扑结构来代替原有的落后的结构，以此来提高系统的传输性能。

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7不同时延分布时对网络控制系统稳定性的影响

本章主要通过truetime的仿真分析，在不同的网络诱导延时下，通过观察分析系统的动态性能曲线和网络通道的使用情况来直观的体现出延时对系统的影响。

7.1仿真实例

在前两章的基础上，网络控制系统的控制网络采用CSMA/AMP(CAN)控制网络，同时其他因素基本一致的情况下（干扰模块中干扰信号的干扰情况一致等），通过改变网络中延时的大小来观察网络控制系统的动态性能以及传感器、控制器和执行器对控制网络的占用情况。在实际的仿真操作中，我改变了程序中的exectime（实时时间）从而达到改变系统延时的效果，来完成我们的仿真目的。

下面的图片为在不同的时延下，具体的仿真图。

（1）当延时为0.0005时，即假设系统处于理想的状态，系统中存在的延时非常小的时候

图7-1

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图7-2

（2）当延时为0.0095增大系统中的延时的时候：

图7-3

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图7-4

（3）当延时增加到0.0925时

图7-5

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图7-6

（4）当把系统中的延时放到很大的时候

图7-7

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图7-8

7.2仿真分析与总结

从以上的仿真结果我们可以很容易地看出延时对系统动态性能的影响是非常大的，从仿真曲线我们可以观察到当随着延时的增大，系统的动态性能曲线从刚开始的理想状态，完美状态慢慢变得很糟糕，具体表现在随着延时的增大，系统的超调量变大，调节时间逐步增加，稳定性也下降，当系统的延时增加到一定程度的时候，甚至可能使系统变得不稳定，甚至使系统崩坏。从仿真结果也能印证我们前面所说的时延对网络控制系统的影响是巨大的。

网络控制系统中出现网络诱导延时是必然的结果，细细想来网络诱导延时也是网络控制系统区别于其他网络的一大特点。当各个系统中使用的控制网络不同，采用的数据访问机制不同，采用的调度策略不同，因此每个系统中产生的时延特性不同，所以在研究网络控制系统的延时的时候一定要详细了解该网络的数据访问机制，该系统是用什么样的控制模式。正是因为这样，每个系统产生的时延是不一样，产生的时延可能是恒定的。时变的、随机的、有界的或者是无界的。当产生的延时性质不同的时候，我们所要采取的研究方法也就不一样，解决延时的方法也随之不同。所以对延时详细深入的了解，是保证网络控制系统稳定安全运行的基础，也是网络控制系统这一研究领域需要重视的方向之一。在目前来说针对不同延时性质的研究方法已经有很多了，比如说建模，预测控制，调度策略的控制等，都是很有效的方法，但是这些方法都太过于理论了，都是在理想化的条件下进行的。对于应用实际工业的网络控制系统来说，所处的环境都很复杂也比较恶劣，这就需要更加符合实际情况的方法来解决出现在实际系统中出现的时延，这就需要科研人员的进一步开发，但是想要进一步开发的前提就是对网络诱导时延有进一步深入地理解和认识。

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实验总结与展望

在对本课题的研究和学习中，首先对网络控制系统有了一个全新的认识，对网络控制系统在当今社会的发展道路有了深刻的认识。通过truetime仿真，对不同网络环境下，不同网络负载以及不同的延时分布的网络控制系统进行仿真，深刻地认识到不同因素对网络控制系统性能的具体影响。所有的这些因素对网络控制系统的影响到最后都会转化为延时对网络控制系统的影响，延时对网络控制系统的影响是巨大的。因此在NCS的领域中对延时的解决是刻不容缓的，是网络控制系统中最具挑战的课题。其次学会了对MATLAB以及在MATLAB目录下安装包的使用，对于今后深一步仿真研究打下了坚实的基础。在5,6,7章中在三种不同的条件下，采用控制变量的方法对一个网络控制系统进行仿真研究，让我对网络控制系统的控制网络、数据访问机制、网络负载这些比较书面的词语有了深入的了解，在这个过程中让我明白了一个道理：只有在理论的学习深入认识到问题的来源以及病因何在，才能在实际中找到解决的办法。也就是说只有理论中深刻的认识到延时对于网络控制系统的影响，了解到时延的产生的原因和机制，才能在实际的情况下去解决延时带来的影响。

在今后的科技发展道路上网络控制系统这个词一定会越来越多的萦绕在我们的耳旁，它也会促进整个世界工业生产力、医疗水平、航空航天等诸多领域的发展。但是再好的东西也会有它不利的一面，也有自己的缺点，就像我们前面所说的那样，延时会降低系统的控制性能，使系统的稳定性范围变窄，甚至造成系统的不稳定。我们不能因为解决延时这个问题棘手就放弃网络控制系统。所以，如何处理网络诱导时延对网络控制系统的影响已经成为网络控制系统能否被广泛应用的前提。

网络控制系统是集网络通信和控制系统于一体的复杂的控制系统，涉及多种科学领域。如：控制论、计算机科学、软件工程、信息论等。其中控制论、计算机网络技术和信息论是网络控制系统的理论基础。控制、计算机和通信的集成将是控制科学的一个重要发展方向，网络控制系统则正是这一发展发展方向的具体体现。在网络硬件和设备成本日益下降以及软件业蓬勃发展的今天，对网络控制系统的应用拓展已经是势在必行，也是十分有意义的。在当今来说对于延时这个问题的解决已经有了很多的研究成果，并且有的也已经被应用到了适合自己的领域当中，随着进一步发展网络控制系统中出现的问题会越来越少，网络控制系统在各个领域的普及也是势在必行的。

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致谢

至此本文到了结束的时候，首先我要对我的论文指导老师仝卫国老师表示感谢。在仝老师的耐心帮助下，我才能有思路去完成我毕业设计题目的要求。由于本人水平的局限，在实验过程中遇到瓶颈无法解决的时候，总是仝老师为我理清思路，指明道路。另外我要感谢对我提供许多帮助的刘士波学长，本文中所用的实验输电线图片是他手工制作并拍摄的。对于链码的相关知识他也给了很大的帮助。在此，我还要感谢我的母亲，是她的养育让我得以完成了大学的学业。最后，我要感谢所有伴我走过大学的老师和同学。他们教给我许多知识，包括书本上的和生活中的，让我得以面对即将到来的社会生活。感谢所有帮助过我的人，是他们让我变的更好！

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