串级控制系统实验报告 [网络控制系统（NCS）仿真研究]

　　摘 要：网络控制系统以通信网络作为控制器、执行器以及传感器之间的通讯媒介，是网络通信和自动控制相结合的产物，本文设计了 NCS 的仿真平台，研究了网络控制系统中两种驱动方式对网络控制系统性能产生的影响。仿真结果表明，当存在随机时延的情况下，只要时延在一定的范围内，事件驱动的控制器有着更好的性能；但是当时延远大于采样周期时，时间驱动的控制器要比事件驱动的控制器性能好。
　　关键词：网络控制系统;驱动方式;实验平台
　　1.概述
　　网络控制系统(Networked Control System, NCS)以通信网络作为控制器、执行器以及传感器之间的通讯媒介，是网络通信和自动控制相结合的产物。近年来，随着通信网络在工业自动化和航空航天控制技术中的广泛应用，NCS 的研究受到了越来越多研究者的关注。NCS 中的通信网络使得整个控制系统中存在不确定时延，这使得传统的控制方法常常难以直接应用于 NCS。本文设计了 NCS 的仿真平台，研究了网络控制系统中两种驱动方式对网络控制系统性能产生的影响。仿真结果表明，当存在随机时延的情况下，只要时延在一定的范围内，事件驱动的控制器有着更好的性能；但是当时延远大于采样周期时，时间驱动的控制器要比事件驱动的控制器性能好
　　2.NCS时延的仿真问题及其时序分析
　　2.1 NCS的诱导时延
　　网络控制系统中诱导时延主要分为三种，即传感器到控制器的时延 控制器到执行器的时延 和控制器执行运算产生的时延 这三个时延之和就是控制时延
　　各时延位置分布如图 2.1 所示:
　　图2.1
　　（1）传感器到控制器的时延 ：当一个传感器给控制器发送测量值时产生的时延。
　　在K时刻可以表示为：
　　其中 和 ，分别是传感器开始采样的时刻和控制器开始运算的时刻。
　　（2）控制器到执行器的时延 ：在控制器发送控制信号给执行器的过程中产生延时。
　　可定义为：
　　其中 和 分别是执行器收到控制器信号并且开始执行的时刻和控制器运算完成时得到控制信号的时刻。
　　（3）控制器执行运算产生的时延 （计算延时）：控制器开始计算到计算完成得到控制信号的过程中产生的延时，可定为下式：
　　
　　其中， 和 分别是指控制器开始计算的时刻和计算完成得到控制信号的时刻。计算时延时取决于计算机的性能，一般可将其看作是定常的。另外， 和 相比，它的数值和变化多很小。在网络控制系统设计时，通过选择合适的硬件和进行高效率的软件编码，可以使计算机时延产生的影响减少到相当小的程度。因而在分析设计网络控制系统时，可以把计算时延 包含在内一起考虑。值得注意的是，当控制算法在控制器中执行时， 是可测的，而 是不可测的，是影响系统性能的主要不确定性因素。
　　2.2网络控制系统的时序
　　控制回路中的各个节点的驱动方式主要是指回路中节点工作的前提条件。网络控制系统的驱动方式有两种：时间驱动(Time Driven)型、事件驱动(Event Driven) 型。时间驱动是指节点的工作与时间密切相关，典型的情况是周期性方式。以网络控制系统中的传感器为例，其大都处于周期性的采样过程，因此是时间驱动方式。事件驱动方式在 NCS中主要是指特定数据的到达或是发送完毕等事件来驱动设备工作，例如控制器以来自传感器的过程状态数据为事件驱动的条件，当状态数据到达控制器时，控制器立即执行控制算法，并且输出控制量。显然，事件驱动方式提高设备了处理外部事件的实时性， 并且能够降低NCS中的总时延。传感器一般采用时间驱动方式，对实际对象进行周期采样。执行器一般都是以事件驱动方式工作，它所要求的特定驱动数据就是控制器节点输出的控制量。
　　2.3 时延对网络控制系统性能影响的仿真研究
　　本文利用Matlab的Truetime工具箱实现完全网络环境的仿真。Truetime工具箱是瑞典的Lune Institute of Technology开发的基于Matlab/Simulink环境下的网络实对控制仿真工具箱，主要用于分布式实时系统的仿真研究。Truetime的核心是两个Simulink 模块：仿真实时系统调度的Truetime Kernel和仿真网络协议的Truetime Network。
　　2.3.1 控制器驱动方式对系统性能的影响
　　为了验证上节的结果，在 Matlab/TrueTime 环境下进行了时序特性的仿真研究中，采用传递函数 的直流电机作为被控对象，控制器设为PID，参数为 ， ，
　　，在下面的仿真中均保持PID参数不变。
　　仿真结构框图2.2
　　首先研究 Ethernet 环境下的两种驱动方式：对于事件驱动型，传感器的采样周期设0.001s；对于时间驱动型，设控制器的采样周期与传感器的采样周期相等，控制器的启动时刻为 0.002s(避免启动时发送数据与传感器发生冲突）)时间驱动型和事件驱动型的控制效果比较见图 2.3。
　　基于 Ethernet 的 NCS 中事件驱动型控制器和时间驱动型控制器下的响应比较 图2.3
　　从基于 Ethernet 的网络控制系统的仿真结果来分析，在矩形波的作用下，事件驱动型的网络控制系统与时间驱动型的网络控制系统相比有以下优点：系统超调量小，震荡小，回复时间短系统性能明显优越。这里没有引入网络竞争节点（也就是在图 2.2 中去掉了Interference模块）。
　　下面将分三种情况对两种驱动方式进行比较
　　(1) 不同控制网络下的比较：
　　为了更全面地揭示两种驱动方式控制信号的时序特点及其对系统性能的影响，下面对 Token Bus 和 CAN 两种工业控制网络也进行了仿真研究。假设两种网络在负荷较小， 没有引入竞争节点的情况下进行比较。