王健，劉雪花

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院，廣東從化510900）

無線網(wǎng)絡(luò)直流伺服控制系統(tǒng)的研究與仿真

王健，劉雪花

（廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院，廣東從化510900）

針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的無線發(fā)射功率與系統(tǒng)穩(wěn)定性問題，在基于TrueTime的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真工具的平臺(tái)上，對(duì)一個(gè)典型的直流伺服控制系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真研究，通過對(duì)功率控制策略、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和功率控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最終使得系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。

WNCS；TrueTime；發(fā)射功率控制

1　概述

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是一種以無線網(wǎng)絡(luò)為信息傳遞介質(zhì)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。無線網(wǎng)絡(luò)在控制系統(tǒng)中的引入，一方面使得控制系統(tǒng)部智能化、集成化與可擴(kuò)展性提高的同時(shí)，也使得控制系統(tǒng)會(huì)面臨一些新的問題，如傳輸時(shí)延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包亂序［1］。因此在研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的時(shí)候，一般會(huì)通過仿真或?qū)嶒?yàn)對(duì)提出的控制模型和控制理論進(jìn)行有效性驗(yàn)證。目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)集中在數(shù)據(jù)包的時(shí)延與丟失上，考慮到無線網(wǎng)絡(luò)功率控制對(duì)于整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定的重要性，本文對(duì)給定距離與額定電能的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，對(duì)無線結(jié)點(diǎn)發(fā)射功率與系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究與仿真。

2　TrueTime工具箱簡(jiǎn)介

TrueTime是一個(gè)基于Matlab/Simulink的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)，由瑞典Lund工學(xué)院的DanHenrik-sson和AntonCervin開發(fā)，通過TrueTime可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、功率控制對(duì)系統(tǒng)性能的影響，控制方法和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試等多方面進(jìn)行綜合研究，本文采用的Truetime-2.0-beta7，該版本提供有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)兩種通信模式，其中有線通信支持CSMA/CD（以太網(wǎng)）、CSMA/AMP（CAN總線協(xié)議）、RoudnRobin（令牌環(huán)網(wǎng)）等網(wǎng)絡(luò)模式，無線通信目前只支持802.11 b（WLAN）、802.15.4（ZigBee）和NCM_ WIRELESS三種網(wǎng)絡(luò)模式。

TrueTime的控制任務(wù)可以使用C++或Matlab的M文件編寫，TrueTime有6個(gè)常用的仿真模塊，TrueTimeKernel用于仿真網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的傳感器、控制器和執(zhí)行器結(jié)點(diǎn)［2］。TrueTimeNetwork用來模擬網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的有線通信網(wǎng)絡(luò)。TrueTimeWirelessNetwork是最核心的模塊，支持網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的仿真。TrueTimeBattery用來為其他模塊提供電源功率。使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的積分器模型，因此可以進(jìn)行重復(fù)充電。TrueTimeSend模塊進(jìn)行消息發(fā)送，TrueTimeReceive模塊進(jìn)行消息接收［3］。

3　無線網(wǎng)絡(luò)直流伺服控制系統(tǒng)建模

圖1　系統(tǒng)仿真模型

3.1控制器與傳感器/執(zhí)行器

系統(tǒng)的仿真模型如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)包含兩個(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)，并假定距離為30 m，其中Sensor/ActuatorNode用來仿真?zhèn)鞲衅髋c執(zhí)行器結(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱S/ANode），S/Anode采用時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行周期性地采樣，并通過無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)將采樣信息發(fā)送至控制結(jié)點(diǎn)RegulatorNode（簡(jiǎn)稱RNode），Rnode為事件驅(qū)動(dòng)，采用PID方法產(chǎn)生控制信號(hào)，用以控制直流電機(jī)，被控制直流電機(jī)的傳遞函數(shù)為

離散PⅠD控制器為：

其中：K為比例增益；h為采樣周期；N為采樣次數(shù)；r（k），y（k），u（k）分別k時(shí)刻的參考輸入、對(duì)象輸出和控制命令，P（k），D（k）分別為k時(shí)刻的比例、微分控制。

3.2網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

TrueTimeWirelessNetwork（簡(jiǎn)稱TTWNetwork）結(jié)點(diǎn)，采用無線網(wǎng)絡(luò)模塊分別選擇IEEEE802.11b（WLAN）協(xié)議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)度采用prioFP進(jìn)行調(diào)度。通信速率分別設(shè)定為800 000 bits/s。

3.3程序設(shè)計(jì)

1）初始化，包含對(duì)輸出和輸出端口數(shù)進(jìn)行指定、選擇優(yōu)先級(jí)函數(shù)、定義代碼函數(shù)、建立線程與中斷句柄等工作。S/Anode結(jié)點(diǎn)初始化由regulator_init.m進(jìn)行定義，Rnode初始化由actuator_init.m進(jìn)行定義。

2）控制函數(shù)編寫。系統(tǒng)的主要控制代碼如下：

設(shè)定采樣周期為T=10 ms，傳感器到控制器預(yù)計(jì)延時(shí)為0.4 ms，控制器計(jì)算時(shí)間預(yù)計(jì)0.5 ms，控制器執(zhí)行器預(yù)計(jì)延時(shí)為0.5 ms，所以整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)預(yù)計(jì)延時(shí)為1.4 ms。設(shè)定比例增益K=1.5，微分常數(shù)Td=0.035。

3.4無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)功率控制策略研究

功率控制策略同時(shí)會(huì)運(yùn)行在S/Anode與Rnode上。Rnode會(huì)周期性的發(fā)送ping消息到S/Anode結(jié)點(diǎn)，用以測(cè)試鏈路的工作狀態(tài)，如果收到響應(yīng)，則說明鏈路使用率低且狀態(tài)良好，則可以減少各結(jié)點(diǎn)的傳輸功率，另一方面，如果沒有收到響應(yīng)，則需要增大傳輸功率直到收到響應(yīng)。功率控制函數(shù)為：

首次仿真，不進(jìn)行任何修改，觀查兩個(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)的電池剩余量，發(fā)現(xiàn)控制器結(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行大約3 s后，電池耗盡，如圖2所示。

圖2　無功率控制能耗曲線

再次仿真，啟用功率控制策略，2 s后功率控制策略被激活，控制器結(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行5 s后，電池耗盡，如圖3所示。而此時(shí)，通過圖4看到測(cè)量值在有些時(shí)候會(huì)偏離參考值，這個(gè)可能是由于在該結(jié)點(diǎn)執(zhí)行功率控制策略時(shí)，由傳感器讀取數(shù)據(jù)的丟失所引起的。

圖3　啟用功率控制能耗曲線

將傳輸功率為減少5 dBm，此時(shí)節(jié)點(diǎn)的傳輸功率為15 dBm，經(jīng)計(jì)算得出最遠(yuǎn)傳輸距離縮減為45.27 m，大于傳感器/執(zhí)行器與控制器之間的距離設(shè)定，所以整體性能不受影響，采樣偏離預(yù)估值的情況有所有好轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)的魯棒性增強(qiáng)，系統(tǒng)輸出仿真曲線如下頁(yè)圖5所示。

圖5　低傳輸功率下系統(tǒng)輸出仿真曲線

4　結(jié)語(yǔ)

隨著工業(yè)制造4.0發(fā)展的進(jìn)程，網(wǎng)絡(luò)在控制領(lǐng)的應(yīng)用回越來越廣泛，而無線網(wǎng)絡(luò)在部署、維護(hù)與擴(kuò)展性上的優(yōu)勢(shì)正迎合了這一發(fā)展的需求［4］。本文討論了無線網(wǎng)絡(luò)控制的建模與仿真技術(shù)，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)直流伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)，并對(duì)功率控制與穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，給出了最優(yōu)發(fā)射功率控制閾值。

［1］朱其新.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與建模［J］.信息與控制，2003（1）:5-8.

［2］王巖.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009: 118-129.

［3］趙賢林.基于TrueTime的無線網(wǎng)絡(luò)功率控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010（10）:127-128.

［4］田波.基于Truetime的無線網(wǎng)絡(luò)溫度控制系統(tǒng)研究［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2015（3）:10-11.

（編輯：王璐）

Research and Simulation of Wireless Networks DC Servo Control System

Wang Jian，Liu Xuehua
（China Institute of Software Engineering，Guangzhou University，Conghua Guangdong 510900）

Aiming at the existing wireless transmission power of wireless network control system and system stability problem in the network control system based on TrueTime simulation tools platform，dc servo control system for a typical model for the simulation research，through the power control strategy，the network protocol and power control parameters setting，eventually making system runs in a stable state.

WNCS；TrueTime；transmission power control

TP273

A

2095-0748（2015）21-0080-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.35

2015-10-12

廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院2014年科學(xué)研究課題立項(xiàng)（編號(hào)：KY201413）

王?。?981—），男，湖北黃岡人，碩士，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)化測(cè)控、信息安全；劉雪花（1983—），湖北黃石人，碩士，講師，研究方向：自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。