基于Ｍａｔｌａｂ的网络控制系统仿真平台孙君曼，等
基于Ｍａｔｌａｂ的网络控制系统仿真平台
Ｍａｔｌａｂ—ｂａｓｅｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＰＩａｔｆＯｒｍ ｆｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ
孙君曼
（郑州轻工业学院电气信息工程学院 ，河南郑州 邓 纬 李荔簿 互傻在
４５０００２；开封空分设备集团公司 ，河南开封４７５０００）
摘要：为了在不同网络情况下对ＮＣＳ性能进行比较，并且能够方便控制算法研究，建立了功能完善的网络控制系统（ＮＣＳ）平台。 对Ｍａｔｌａｂ／ＴｒｕｅＴｉｍｅ主要特点进行了分析，并利用其核心模块和网络模块，建立了一种ＮＣＳ仿真模型；详细介绍了基于ＴｍｅＴｉｍｅ网络 仿真环境下ＮＣＳ仿真模型的构建方法，并针对网络传输中出现的问题进行了实验研究和全面分析，对ＮＣＳ的时延和丢包实验进行了 深入地分析。实验结果表明该平台为ＮＣＳ研究提供了便捷的途径。 关键词：网络控制系统ＴｒｎｅＴｉｍｅ时延丢包Ｎｅｔｗｏｒｋ模块Ｋｅｒｎｅｌ模块 中图分类号：ＴＰＩ３ 文献标志码：Ａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＮＣＳ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｅａｓｉｅｒ。ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ（ＮＣＳ）ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｍａｔｌａｂ／ＴｍｅＴｉｍｅ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ａ ＮＣＳ ｓｉｍｕ－ ｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｋｅｒｎｅｌ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ Ｍａｔｌａｂ／ＴｒｕｅＴｉｍｅ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈｏｗ ｔｏ ｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＮＣＳ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＴｒｕｅＴｉｍｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ ａｎｄ ｐａｃｋｅｔｓ ｌｏｓｓ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎ ＮＣＳ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｅｘ— ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｅａｓｙ ａｎｄ ｒａｐｉｄ ｐａｔｈ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇ ＮＣＳ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ（ＮＣＳ）ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｔｉｍｅ ｄｅｌａｙ Ｐａｃｋｅｔ ｌｏｓｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｍｏｄｕｌｅ Ｋｅｒｎｅｌ ｍｏｄｕｌｅ
Ｏ 引言
目前，在控制系统发展进程中，以Ｉｎｔｅｒｎｅｔ为网络
环境的网络化控制系统ＮＣＳ（ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）
正逐渐成为研究的热点。与传统的控制系统相比，
ＮＣＳ主要工作在网络环境中，它是一种分布式实时控
制系统。
ＮＣＳ系统通过网络进行控制信息的传递，所以，在
关注控制系统结构的同时，更要研究网络传输的一些
重要因素及其对系统的性能影响程度，如数据传输单
包多包、信息安全、时延以及丢包等，这些都是ＮＣＳ系
统需要考虑的因素。
ＮＣＳ系统的各个节点，如传感器、控制器、执行机构‘
和受控对象分布在网络的不同地方，各个节点的结构和
配置都是独立的，彼此遥远、互不相知的。因此，开展具
体试验研究ＮＣＳ的性能具有一定的困难。基于此，模拟
网络仿真环境，建立ＮＣＳ的仿真实验平台，并进行分析
和研究系统的性能特点就得到了相应的发展。
修改稿收到日期：２０ｏ９—０８一ｌ４。 第一作者孙君曼，女，１９６９年生．２００２年毕业于华中科技大学控制 理论与控制工程专业，获硕士学位，副教授；主要从事网络化控制系统方 面的研究。
《自动化仪表》第３１卷第３期２０１０年３月 １网络控制系统结构
基于Ｍａｔｌａｂ开发的系统仿真工具ＴｒｕｅＴｉｍｅ能够
为ＮＣＳ仿真提供网络实验环境、基本结构和良好的物
理系统接Ｅｌ，并能够按照Ｍａｔｌａｂ的方式调用代码，执
行性好。本文利用Ｍａｔｌａｂ／ＴｒｕｅＴｉｍｅ提供的ＴｒｕｅＴｉｍｅ
Ｋｅｒｎｅｌ、ＴｒｎｅＴｉｍｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ模块，构建了ＮＣＳ仿真模型。
网络控制系统结构如图１所示。
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Ｉ 网络
入
图１ 网络控制系统结构框图
Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＮＣＳ
控制器采用ＰＩＤ算法，受控对象为线性二阶系统，
执行器和传感器均为事件驱动，网络协议采用ＣＳＭＡ／
ＣＤ（Ｅｔｈｅｍｅｔ）。通过逐渐加深时延程度和依次增大丢
包量来得到具体的仿真实验数据，并分析网络特性对
控制系统性能的影响程度。以此实验平台为基础，可
对控制算法与网络调度等问题进行深入研究。
ＴｒｎｅＴｉｍｅ是一种基于Ｍａｔｌａｂ的实时控制与网络控
制仿真工具箱。该工具箱主要包括ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ、
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ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ这２类重要模块。它们的工作方式均
采用事件驱动，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。采用
Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模块、ｃ＋＋、Ｍ文件等形式的软件编写实
现其控制任务，并选用多种调度策略和物理层网络协议
对ＮＣＳ性能的影响进行研究；同时，可依据具体时间变
化，灵活设计动态调节器，以作为系统的补偿；可进行更
加灵活的动态调度方法实验以及事件驱动控制系统的
仿真研究 。
控制系统的各组成部分由ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ模块
构成，数据的传递或监控系统的运行由８个接口来完
成，具有简单灵活的实时内核以及网络接口、外部通
道、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器接口等。控制系统信息传递的
网络环境可利用ＴｍｅＴｉｍｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ模块达到要求，其
主要功能包括灵活使用多种调度策略；可设置传输速
率、媒体访问控制协议、网络节点数等网络参数；可根
据设定的网络模型模拟数据的接收与发送；当模块被
触发时，可执行相应的功能。
２ 网络控制系统模型的建立
网络控制系统的模型构成如图２所示。
图２网络控制系统的模型
Ｆｉｇ．２ Ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
这里的控制对象是一个二阶系统，状态方程为：
（ｔ）＝Ａｘ（ｔ）＋Ｂｕ（ｔ）
Ｙ（ｔ）＝Ｃｘ（ｔ） （１）
式中： （ｔ）为系统的ｎ×１维状态向量； （ｔ）为ｒ×１维
控制向量 （ｔ）为ｍ×１维输出向量；Ａ为ｎ×ｎ维、曰
为 ×ｒ维、Ｃ为１×ｎ维的矩阵。
离散化后，系统的方程为：
Ｘ（ｋ＋１）＝ （ｋ）＋Ｔｕ（ ） （２）
式中： 为采样时刻，ｋ＝｛１，２，…，ｎ｝； ＝ｅ ； 为采样周
期 。 Ｊ。ｅ
本系统使用了１个ＴｍｅＴｉｍｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ和４个Ｔｒｕ．
ｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ模块。利用ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ构建传感器、
控制器、执行器及干扰信号这４个节点，并与网络一起
构成ＮＣＳ系统的仿真模型。参考信号采用单位阶跃
信号，除了Ａ／Ｄ输入信号是连续信号外，其他都是离
散时间信号。
２．１控制器
节点３为控制器，用于处理参考输入和传感器端
输入的信息，并发送结果到执行器节点。将从网络中
得到的传感器端的输出信号与参考信息进行比较，得
到差值，再根据控制段设计的系统控制策略计算出控
制量，最后通过网络发送给执行结构 “ 。
控制器由线性控制器、ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ模块这２
部分组成。线性控制器用来处理传感器的信息（Ｒｃｖ
端）；ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ模块共包括Ａ／Ｄ、ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ和ｒｃｖ
这３个输入端以及Ｄ／Ａ、Ｍｏｎｉｔｏｒｓ、Ｐ、ｓｎｄ和Ｓｃｈｅｄｕｌｅ
这５个输出端。接口输入信息由Ａ／Ｄ端进入，控制器
因无中断所以ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ端接地，ｒｃｖ接收的信息经控
制器处理后，由ｓｎｄ发送给系统的网络模块，Ｓｃｈｅｄｕｌｅ
用来监控系统的资源分配情况。控制器节点使用库函
数ｔｔｇｅｔｍｓｇ（），可以得到从网络上传来的传感器的信
息；使用ｔｔｓｅｎｄｍｓｇ（），可以给下一个节点发送信息。
２．２执行机构
节点２是执行机构，主要用于接收及处理控制器
端输出的控制信息，并对控制对象输入控制信息，使其
执行相应操作。实验中，ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ模块接收端
Ａ／Ｄ接地、执行器无中断信号Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔｓ接地、Ｒｃｖ用
来接收系统的信息；在发送端保存Ｄ／Ａ、Ｍｏｎｉｔｏｒｓ、Ｐ接
口的输出信号，Ｓｃｈｅｄｕｌｅ接口用来监控系统的资源分
配情况。模块选用ｔｔｇｅｔｍｓｇ（）和ｔｔａｎａｌｏｇｏｕｔ（）２个库函
数接收信息，并把处理后的信息发送给下一个节点。
２．３传感器
节点４为传感器模块，用于检测受控对象，并通过
Ａ／Ｄ转换成数字信息，经传感器模块处理之后，以数
字量的方式发送给网络模块，再经该模块处理后发送
给控制器。实验中，Ｉｎｔｅｒｍｐｔｓ、Ｒｃｖ接地，发送端接口
Ｄ／Ａ、Ｓｎｄ、Ｍｏｎｉｔｏｒｓ和Ｐ用于输出信号的保存，Ｓｃｈｅｄｕｌｅ
接口监控系统的资源分配情况，并利用ｔｔａｎａｌｏｇｉｎ（）和
ｔｔｓｅｎｄｍｓｇ（）２个库函数接收信息，并把处理后的信息
发送给系统的下一个节点。
２．４干扰信号节点
节点１产生干扰信号，主要是发送堵塞信号到网
２０
ＰＲＯＣＥＳＳ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＡＴＩＯＮ Ｖｏｉ．３１ Ｎｏ．３ Ｍａｒｃｈ ２０１０