传输速率约束下网络控制系统的性能分析
发布时间：2009-10-23 作者：李力雄,丁瑾
0 引言
随着信息技术的不断变革和发展,通信网络作为 成熟、低成本的信息传输方式被广泛用于各类控制系 统之中,形成了网络控制系统的概念。在网络控制系 统的初期阶段,为了方便研究,通常将通信网络等价为 网络诱导延时,由此将网络控制系统简化为延时控制 系统。
然而,随着控制系统规模日益扩大,传感器、控制 器、执行器等控制器件数量的不断增长,而共享网络带 宽资源却又相对有限,将通信网络简单地等价为延时 的方法已经不能完全解决问题。因此,在通信网络约 束下,特别是针对有限的传输速率和带宽,开展网络控 制系统的性能分析有着重要的学术和工程意义。目 前,国内外已经逐步开始出现相关研究,并产生了一些 理论成果。
本文在网络控制系统延时分析与研究的基础上, 进一步探索传输速率、带宽等通信参量对于控制系统 性能的影响,并结合利用已有通用仿真工具,开发出相 应的实时仿真软件包进行仿真分析和验证。
1 控制性能研究
1. 1 控制系统仿真模型
为了进行相应的仿真分析,需要建立相应的数值 仿真模型。TrueTime是瑞典隆德工学院开发的一种基 于Matlab的网络控制仿真工具箱,本文利用该工具箱 以及Matlab Simulink中的其他相关模块,设计了网络 控制系统仿真模型。在模型中,确定被控对象为直流 伺服电机,直流电机模型可以用以下连续时间传递函 数进行描述:
此外,系统模型中还包含了传感器、执行器、控制 器、干扰节点等节点,各节点均用TrueTime内核模块 实现,其中:
Ó 传感器节点 以时钟驱动方式运行,对被控对象进行周期性采样,并经由网络将采样值发送到控制 器节点;
Ó 控制器节点 以事件驱动方式运行,采用离散 P ID算法,计算获得控制信号后立即将结果发送到执 行器节点;
Ó 执行器节点 以事件驱动方式运行,执行器收 到控制信号后,随即执行该控制信号;
Ó 干扰节点 定时发送信号干扰网络通信,并在 各网络节点中执行高优先级任务,以体现网络中存在 的相关不确定性。
1. 2 控制性能仿真
基于上述网络控制系统模型,传感器、执行器、控 制器等节点之间采用以太网连接,并采用TrueTime网 络模块实现。在传输速率在125kbit/ s到10Mbit/ s之 间,选取100 个传输速率采样点,分别利用TrueTime 工具箱进行仿真。
其中,每个传输速率采样点条件下进行10次仿真, 计算并记录网络控制系统的平均性能( ITAE)及网络平 均延时( delay) ,最终可获得传输速率与控制系统性能、 传输速率与网络延时的关系曲线图,如图1所示。
2 TrueTime仿真结果初步分析
2. 1 数据传输速率vs. 网络诱导延时
由以上仿真结果可见,网络轻载情况下,网络诱导 延时和传输速率大致呈反比关系。主要原因是:网络 轻载时,等待延时较小,而以太网数据块长度较大,发 送延时在总延时中占主导地位,由此整体趋势呈反比 趋势。
当网络负载较重时,以太网等待延时明显增大而 且不确定;同时,网络重载还会引发队列溢出,使分组 丢失,有可能发生丢包现象,这相当于等待延时为无穷 大。随着最大传输速率逐渐减小,网络利用率变大,网 络负载相对增加,数据包碰撞几率增大,等待延时变长。因此随着传输速率减小,传输速率- 延时曲线出 现了突然跳跃或者抖动的现象,延时为增长趋势。
2. 2 数据传输速率vs. 控制性能
传输速率对网络控制性能也有一定程度的影响。 当传输速率较大时,网络诱导延时基本可以忽略不计, 控制性能的变化不大。而随着传输速率的逐渐减小, 数据在通信网络中传输所耗费的延时增大,甚至发生 数据丢包现象,网络控制性能因此下降。另外,由仿真 结果中可以发现,当传输速率经过某一个转折点,网络 控制性能的变化尤其明显。
3 实时仿真软件包的设计与开发
以上的仿真分析主要基于TrueTime工具箱实现, 属于纯数值仿真研究方法。为了进一步验证实际网络 传输速率约束下的网络控制系统性能,设计并开发了 一套网络控制系统半物理实时仿真软件包。
3. 1 仿真架构设计
采用半物理仿真设计方案,将实际物理网络引入 到仿真之中。网络控制系统仿真架构由3部分组成, 即服务器(含被控对象部分仿真软件) 、客户机(含控 制器部分仿真软件)以及连接两者的实际物理通信网 络(以太网) ,其架构如图2所示。本文主要实现了仿 真软件和物理以太网的实时连接,其他通信网络也可 采用不同的网络硬件接口卡实现。
