曹慧超　李　煒　申富媛　童　源

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院　甘肅 蘭州 730050)

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離散事件觸發(fā)通信機(jī)制下NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

曹慧超李煒申富媛童源

(蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院甘肅 蘭州 730050)

目前離散事件觸發(fā)通信機(jī)制DETCS(Periodictime-triggeredcommunicationscheme)下NCS(Networkedcontrolsystem)理論研究結(jié)果的驗(yàn)證仍限于單機(jī)下的Matlab仿真，尚無(wú)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的引入；而傳統(tǒng)基于周期時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制的NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，又缺少受控制需求驅(qū)動(dòng)事件觸發(fā)條件的約束。針對(duì)此問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了DETCS下的虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)以校園局域網(wǎng)為通信媒介，采用OPC通信協(xié)議，結(jié)合西門(mén)子S7-300PLC，首先實(shí)現(xiàn)了分離于2臺(tái)PC機(jī)上的被控對(duì)象和控制器的通信；其次將離散事件觸發(fā)條件引入被控對(duì)象輸出端，借助MatlabOPC工具箱提供的OPC技術(shù)及軟件組態(tài)方法實(shí)現(xiàn)了真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下基于DETCS的虛擬NCS平臺(tái)的搭建。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試及結(jié)果分析表明，DETCS的引入兼顧了NCS的控制性能和網(wǎng)絡(luò)資源的節(jié)約，所搭建的平臺(tái)能夠?yàn)镈ETCS下的NCS理論研究提供有效的工程可用性驗(yàn)證平臺(tái)。

離散事件觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)OPC技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

EVENT-TRIGGEREDCOMMUNICATIONSCHEME

CaoHuichaoLiWeiShenFuyuanTongYuan

(College of Electrical and Information Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,Gansu,China)

0　引　言

目前，網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也因特殊的網(wǎng)絡(luò)反饋通道所引出的許多問(wèn)題受到了學(xué)術(shù)界的關(guān)注[1-4]。為驗(yàn)證一些理論研究結(jié)果的正確性和可用性，不少學(xué)者還搭建了不同類型的NCS仿真平臺(tái)。文獻(xiàn)[5]基于Matlab的TrueTime工具箱，開(kāi)發(fā)了NCS綜合仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。文獻(xiàn)[6]利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2實(shí)現(xiàn)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬，利用Java網(wǎng)絡(luò)接口模塊連接Matlab仿真對(duì)象和NS2網(wǎng)絡(luò)模塊，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了NCS實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。文獻(xiàn)[7]也基于網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2設(shè)計(jì)了一種直流電機(jī)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)。文獻(xiàn)[8]利用OPC技術(shù)、PC機(jī)以及PLC實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器和客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信，構(gòu)建了NCS仿真平臺(tái)。

但上述NCS仿真平臺(tái)均基于周期時(shí)間觸發(fā)通信機(jī)制PTTCS所搭建。然而面對(duì)NCS中有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，PTTCS因未從控制的需求出發(fā)便按固定的周期傳輸信息，使得大量冗余數(shù)據(jù)的傳輸導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)通道的擁塞，也使得網(wǎng)絡(luò)資源未被合理有效利用，因此如何更有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，并使系統(tǒng)達(dá)到理想的控制目標(biāo)，逐漸成為NCS研究中的一個(gè)重要問(wèn)題。近期一種信息量按需求傳輸?shù)碾x散事件觸發(fā)通信機(jī)制DETCS下的NCS設(shè)計(jì)方法開(kāi)始進(jìn)入人們的視野[9]。DETCS的引入，兼顧了系統(tǒng)的控制性能與網(wǎng)絡(luò)資源的有效節(jié)約，展現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)有研究所得結(jié)論均采用單機(jī)下Matlab仿真來(lái)驗(yàn)證其有效性[10,11]，對(duì)于工程可用性的驗(yàn)證仍存在缺失。

因此，本文擬在真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，利用OPC標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，借助西門(mén)子Step7、SimaticNet及Matlab等軟件，通過(guò)引入離散事件觸發(fā)條件，搭建基于DETCS的NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以期為相應(yīng)的理論結(jié)果尋求較為工程化的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段。

1　DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

DETCS引入NCS后，使得網(wǎng)絡(luò)資源得到了更為合理的利用，但同時(shí)其結(jié)構(gòu)也隨之發(fā)生了一定的變化，下面首先陳述DETCS下NCS的結(jié)構(gòu)，然后給出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案。

1.1DETCS下NCS的結(jié)構(gòu)

DETCS中數(shù)據(jù)傳輸是根據(jù)控制任務(wù)“按需”進(jìn)行的，基于此機(jī)制的NCS結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　DETCS下NCS結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的PTTCS下NCS結(jié)構(gòu)圖不同的是，圖1中在采樣器后增加了“事件發(fā)生器”。其功能是根據(jù)事先設(shè)定的事件觸發(fā)條件，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷篩選，滿足觸發(fā)條件的采樣信號(hào)則被傳輸給控制器，反之則不被傳輸。它的引入自然而然的結(jié)果就是數(shù)據(jù)的傳輸不再按固定的采樣周期進(jìn)行，而是按控制系統(tǒng)的需求變周期進(jìn)行，從而節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。

1.2DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建方案

依據(jù)DETCS下的NCS結(jié)構(gòu)圖1所示，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括3部分工作：被控對(duì)象的虛擬和控制器設(shè)計(jì)、DETCS的引入、通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議。

(1) 被控對(duì)象的虛擬和控制器設(shè)計(jì)

考慮到Matlab/Simulink環(huán)境具有強(qiáng)大數(shù)字運(yùn)算能力、豐富的圖形環(huán)境和大量成熟的控制工具箱，是解決系統(tǒng)建模和分析、研究和開(kāi)發(fā)新的網(wǎng)絡(luò)過(guò)程控制算法的首選，因此本平臺(tái)分別采用2臺(tái)裝有Matlab7.6以上軟件的PC機(jī)，分別虛擬被控對(duì)象并設(shè)計(jì)控制器，以使其具有模擬多種對(duì)象和實(shí)現(xiàn)不同控制算法的靈便性。若條件允許或需要時(shí)，還可將虛擬被控對(duì)象和控制器部分或全部替換為實(shí)體，構(gòu)成半實(shí)體或全實(shí)體平臺(tái)。

(2) DETCS的引入

DETCS是一種僅在采樣時(shí)刻依據(jù)某種“事件”發(fā)生與否決定系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)是否需要傳輸?shù)耐ㄐ艡C(jī)制。這種機(jī)制下，需要對(duì)被控對(duì)象輸出的離散采樣信息進(jìn)行不斷的分析判斷，因此在平臺(tái)搭建中最為直接的方法就是在虛擬對(duì)象模型后引入一個(gè)離散事件觸發(fā)模塊，來(lái)計(jì)算判斷被控對(duì)象的采樣信息是否需要被傳輸?？紤]該模塊的計(jì)算分析需要，可以采用Matlab/Simulink中M-函數(shù)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3) 通信網(wǎng)絡(luò)及通信協(xié)議

搭建NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，應(yīng)盡可能地接近工程背景，其中真實(shí)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是關(guān)鍵?？紤]常用的TrueTime是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延等進(jìn)行模擬[6]且僅適用于單級(jí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，具有一定局限性；NS2軟件雖能模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[7,8]，但由于其采用C++和OTCL程序語(yǔ)言搭建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洵h(huán)結(jié)構(gòu)，使得應(yīng)用起來(lái)難度又較大。因此，為了使所搭建平臺(tái)具有網(wǎng)絡(luò)工程真實(shí)性的同時(shí)可操作性更強(qiáng)，本平臺(tái)的構(gòu)建選用校園局域網(wǎng)作為通信媒介。

當(dāng)被控對(duì)象和控制器通過(guò)Matlab/Simulink中的模塊組件實(shí)現(xiàn)于校園局域網(wǎng)中的兩臺(tái)不同PC機(jī)上后，二者之間的數(shù)據(jù)傳遞，則需要選擇合適的通信協(xié)議。目前，采用服務(wù)器/客戶端模式的OPC技術(shù)可按照標(biāo)準(zhǔn)化的方法解決軟硬件之間數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，即客戶端能夠用一種標(biāo)準(zhǔn)的方法去訪問(wèn)任意廠商的OPC服務(wù)器程序[12]，且Matlab中已具有專門(mén)的OPC工具箱，所以，本平臺(tái)搭建中采用數(shù)據(jù)傳送性能高、開(kāi)發(fā)成本低、可靠性高的OPC作為通信協(xié)議。

(4) DETCS下NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

綜上分析，DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)選用OPC通信協(xié)議，以西門(mén)子S7-300PLC作為OPC服務(wù)器，2臺(tái)裝有Matlab7.6以上軟件的PC作為2個(gè)OPC客戶端，分別虛擬被控對(duì)象和控制器，以校園局域網(wǎng)為通信媒介，借助Matlab中OPCToolbox工具箱提供的相應(yīng)OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)OPC服務(wù)器與客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信。需要強(qiáng)調(diào)的是，為實(shí)現(xiàn)DETCS所引入的離散事件觸發(fā)模塊被置于被控對(duì)象之后，且與其同在一個(gè)PC機(jī)的Matlab/Simulink中實(shí)現(xiàn)。該模塊便可判斷受控對(duì)象輸出采樣數(shù)據(jù)是否需要傳輸，滿足條件被傳輸?shù)牟蓸訑?shù)據(jù)最終將通過(guò)PLC數(shù)據(jù)通道傳給控制器。平臺(tái)的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2　DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

DETCS下的虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際為PTTCS下NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)之上的改建，因此首先應(yīng)搭建PTTCS下的NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其硬件設(shè)備有2臺(tái)PC機(jī)、西門(mén)子S7-300PLC(CP313C)、以太網(wǎng)通信模塊(CP343-1Lean)、IE通用模塊(IE_CP)；軟件除Matlab外，還包括西門(mén)子編程軟件Step7V5.5和西門(mén)子網(wǎng)絡(luò)通信軟件SimaticNetV6.0。

2.1PTTCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組態(tài)

(1) 配置PC站

在SimaticNet軟件StationConfigurationEditor窗口中1號(hào)槽插入OPCServer，3號(hào)槽插入IEGeneral，并分別進(jìn)行網(wǎng)卡配置和站點(diǎn)命名。

(2) PLC硬件組態(tài)

在Step7軟件SIMATICManager中創(chuàng)建一個(gè)新工程，依次組態(tài)PC站和Simatic300站，即在硬件庫(kù)中選取實(shí)際設(shè)備中的相應(yīng)硬件型號(hào)，并設(shè)置各個(gè)模塊屬性，然后編譯保存。

(3) 網(wǎng)絡(luò)配置

點(diǎn)擊ConfigureNetwork按鈕進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，設(shè)置PG/PC接口后，進(jìn)行組態(tài)下載，下載成功后，StationConfigurationEditor窗口中組件狀態(tài)顯示運(yùn)行成功、連接激活。

2.2DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于DETCS的虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，系統(tǒng)輸出的采樣數(shù)據(jù)采用“按需求”(需求也即“離散事件觸發(fā)條件”)的傳輸方式，其實(shí)現(xiàn)必須借助于軟件組態(tài)的有效編程方可實(shí)現(xiàn)從PTTCS向DETCS的轉(zhuǎn)換。下面具體陳述DETCS實(shí)現(xiàn)方法和相應(yīng)的軟件組態(tài)。

(1) DETCS具體實(shí)現(xiàn)方法

PTTCS下NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，采樣數(shù)據(jù)均按其固有周期通過(guò)網(wǎng)絡(luò)被傳輸，這未能滿足DETCS的要求，使得不滿足離散事件觸發(fā)條件的采樣數(shù)據(jù)也被傳輸，所以如何實(shí)現(xiàn)信息按需求傳輸成為關(guān)鍵。

考慮到實(shí)際中一旦對(duì)OPC進(jìn)行相應(yīng)工作屬性的初始化后，OPC便以固有頻率刷新，即便不滿足觸發(fā)條件的采樣信息也會(huì)被OPC以固定周期刷新，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸送入PLC，盡管可以通過(guò)Matlab中shutdown語(yǔ)句關(guān)斷OPC的通信，停止對(duì)不滿足觸發(fā)條件的數(shù)據(jù)的傳輸，但此時(shí)也無(wú)數(shù)據(jù)送入PLC，整個(gè)系統(tǒng)是開(kāi)路的，為了解決此問(wèn)題，引入了“0”數(shù)據(jù)包的概念。即當(dāng)系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)滿足離散事件觸發(fā)條件時(shí)，則將此采樣數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入OPCWrite模塊并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸送入PLC，最終送至控制器端的OPCRead模塊，此過(guò)程中還需要將當(dāng)前滿足觸發(fā)條件的采樣數(shù)據(jù)值緩存至另外一個(gè)中間寄存器，如MREAL190中；若不滿足，則寫(xiě)入OPCWrite模塊并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至PLC的是為“0”的數(shù)據(jù)包，而當(dāng)PLC讀到數(shù)值“0”時(shí)，將上一個(gè)滿足離散事件觸發(fā)條件的數(shù)值，即MREAL190中的值返回給控制器端的OPCRead模塊。

圖3　DETCS下NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)工作流程圖

從數(shù)據(jù)包大小的層面來(lái)講，“0”數(shù)據(jù)包在傳輸時(shí)占用的網(wǎng)絡(luò)資源較實(shí)際傳輸?shù)恼鎸?shí)值所占用的資源要少很多[13]，所以采用此方法實(shí)現(xiàn)DETCS，從一定程度上節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)資源。DETCS下NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作流程如圖3所示。

(2) 軟件組態(tài)

雖然現(xiàn)有Matlab7.0以上的軟件中集成了OPC工具箱，即一個(gè)OPC客戶端數(shù)據(jù)訪問(wèn)軟件，使得通過(guò)OPC工具箱連接任何一個(gè)OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)連接的OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器的讀或?qū)?。但是固有的OPCRead模塊和OPCWrite模塊中item的“Active”屬性為“on”，且不可改動(dòng)，即item按照固有刷新速率去更新數(shù)據(jù)。而通常情況下OPC的刷新周期遠(yuǎn)大于Matlab中所組建的仿真系統(tǒng)的運(yùn)行周期，這導(dǎo)致了異步問(wèn)題的出現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)OPC掃描周期與Matlab中仿真系統(tǒng)的同步運(yùn)行，通過(guò)編寫(xiě)程序生成“Active”屬性可改動(dòng)的OPCRead與OPCWrite模塊。OPCRead模塊程序如下：

da=opcda(′localhost′,′OPC.SimaticNET′);%確認(rèn)本地OPC服務(wù)器

connect(da);

%連接服務(wù)器

grp1=addgroup(da,′OPCRead′);

%添加組并命名

itm1=additem(grp1, ′S7:[S7connection_1]MREAL80′);

%在組中添加項(xiàng)目1

r=read(itm1)

%讀取項(xiàng)目1中的值

itm1.Active=“off” ;

%關(guān)閉項(xiàng)目1的激活屬性

blkPath=genslread(grp1) ;

%生成itm1中Active屬性為off的OPCRead模塊

執(zhí)行完上述程序，構(gòu)造出的新OPCRead模塊中Active屬性中則被改為off，此刻只有當(dāng)讀指令發(fā)送時(shí)，item的數(shù)據(jù)才會(huì)被更新，解決了OPCRead模塊刷新頻率與Matlab中仿真系統(tǒng)運(yùn)行同步的問(wèn)題。同理可構(gòu)造Active屬性可修改為off的OPCWrite模塊，此處不在贅述。

(3) DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了說(shuō)明平臺(tái)的搭建過(guò)程，NCS中受控對(duì)象這里采用典型的慣性環(huán)節(jié)(亦可為其他任何復(fù)雜系統(tǒng)模型)，置于其后的離散事件觸發(fā)模塊中觸發(fā)條件如下[11]：

eT(ikh)Ve(ikh)≥δ1yT(ikh)Vy(ikh)

(1)

‖y(ikh)‖≥δ2>0

(2)

其中：V是正定的權(quán)矩陣；δ1>0,δ2>0為給定的標(biāo)量參數(shù)，與系統(tǒng)的期望性能指標(biāo)有關(guān)；e(ikh)表示當(dāng)前采樣時(shí)刻ikh與最近數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻tkh的數(shù)據(jù)差，即：

e(ikh)=y(ikh)-y(tkh)

(3)

控制器采用經(jīng)典PID控制，則在兩臺(tái)PC機(jī)中利用Matlab/Simulink分別構(gòu)建NCS系統(tǒng)的被控對(duì)象與離散事件觸發(fā)條件模塊、以及控制器，分別作為OPC的客戶端，其連接如圖4、圖5所示。

圖4　DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)被控對(duì)象連接圖

圖5　DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制器連接圖

依據(jù)DETCS具體實(shí)現(xiàn)方法中的描述，上述平臺(tái)搭建中需將滿足離散事件觸發(fā)條件的采樣數(shù)據(jù)緩存于另外一個(gè)中間寄存器。結(jié)合圖4和圖5所示，當(dāng)對(duì)象模型的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)事件觸發(fā)模塊判斷之后，滿足觸發(fā)條件的當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)寫(xiě)入MREAL180，同時(shí)將此值寫(xiě)入另一中間寄存器MREAL190，然后控制器客戶端MREAL120讀取MREAL180中的數(shù)值，并與設(shè)定輸入作比較，偏差作為控制器輸入量，控制器的輸出寫(xiě)入MREAL110；若受控對(duì)象采樣數(shù)據(jù)不滿足觸發(fā)條件，則控制器客戶端MREAL120讀取存儲(chǔ)于MREAL190中的數(shù)據(jù)，即上一個(gè)時(shí)刻滿足觸發(fā)條件的數(shù)據(jù)。

3　DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試分析

3.1測(cè)試實(shí)驗(yàn)

DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試主要包括：

① 引入DETCS(1,2)后搭建的虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是否能有效節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源；

② 該平臺(tái)能否做到網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)約與系統(tǒng)性能的折衷平衡。

為便于實(shí)驗(yàn)分析，這里以2.2節(jié)式(3)中的系統(tǒng)為例，其中慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)取1s；PID控制器參數(shù)采用擴(kuò)充臨界比例法整定KP=0.4,KI=0.195；離散事件觸發(fā)條件中觸發(fā)參數(shù)選取δ1=0.6,δ2=0.99、觸發(fā)權(quán)矩陣V=I，依據(jù)式(1)、式(2)，利用M-函數(shù)編寫(xiě)圖4中的離散事件觸發(fā)模塊，并取采樣周期h=0.1 s。

實(shí)驗(yàn)1為考察引入DETCS后NCS節(jié)約網(wǎng)絡(luò)通信資源的狀況，采用單位階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，并與相同條件下基于PTTCS的NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所得響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，如圖6所示，離散事件觸發(fā)NCS數(shù)據(jù)實(shí)際傳輸時(shí)刻和傳輸間隔如圖7所示。

圖6　系統(tǒng)響應(yīng)曲線　圖7　DETCS下 NCS數(shù)據(jù)傳輸時(shí)刻與傳輸間隔

表1　不同通訊機(jī)制下相關(guān)指標(biāo)綜合比較

實(shí)驗(yàn)2為進(jìn)一步分析DETCS引入后，不同觸發(fā)參數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)約及系統(tǒng)性能的影響，分別改變?chǔ)?,δ2，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到如表2、表3的結(jié)果，其中采樣周期h=0.1s，控制時(shí)段仍取20s。其中：ess表示穩(wěn)態(tài)誤差。

表2　δ2=0.99,不同觸發(fā)參數(shù)δ1下的相關(guān)量比較

表3　δ1=0.6,不同觸發(fā)參數(shù)δ2下的相關(guān)量比較

3.2結(jié)果分析

① 從單位階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)1所得曲線圖6中看出，DETCS下NCS的響應(yīng)曲線略慢于PTTCS下的，但最終趨于穩(wěn)態(tài)值1，有良好的控制性能；結(jié)合圖7還可看出，當(dāng)階躍響應(yīng)曲線趨于1附近后，離散事件觸發(fā)條件滿足的機(jī)率減少，傳輸數(shù)據(jù)在8.3s后變得稀疏，數(shù)據(jù)傳輸量較暫態(tài)過(guò)程明顯減少；從表1中也能看到，20s控制時(shí)段內(nèi)，DETCS較PTTCS的結(jié)果而言，系統(tǒng)實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸量、數(shù)據(jù)傳輸率都明顯減少，平均傳輸周期增大。這些均表明DETCS下虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在滿足系統(tǒng)控制性能的同時(shí)，能夠有效地減少網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載，使得網(wǎng)絡(luò)資源得到了適度利用。

② 從實(shí)驗(yàn)2所得表2、表3中可直觀地看出，在給定的20s控制時(shí)段內(nèi)，隨著觸發(fā)參數(shù)δ1或δ2的不斷增大，更多的網(wǎng)絡(luò)通信資源被節(jié)??；但觸發(fā)參數(shù)引入并增大的同時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差ess隨之出現(xiàn)并逐漸增大，這說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)資源的節(jié)約是以犧牲系統(tǒng)性能為代價(jià)的。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)系統(tǒng)控制性能要求較高時(shí)，需減小觸發(fā)參數(shù)數(shù)值、適當(dāng)增加傳輸數(shù)據(jù)量；反之若希望節(jié)省出更多帶寬資源時(shí)，則可增大觸發(fā)參數(shù)，減少數(shù)據(jù)傳輸量，適度降低系統(tǒng)性能要求。由此看來(lái)，采用DETCS下的NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完全可以依據(jù)需求，合理選擇離散事件觸發(fā)參變量，折衷平衡系統(tǒng)性能與網(wǎng)絡(luò)資源的節(jié)約。

4　結(jié)　語(yǔ)

本文利用OPC和Matlab技術(shù)，采用西門(mén)子S7-300PLC及PC機(jī)，在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，構(gòu)建了基于DETCS的虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為目前基于DETCS的NCS理論研究提供了實(shí)驗(yàn)途徑。通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試分析表明，所述的平臺(tái)搭建方法是可行的，而且基于所搭建的DETCS下的虛擬NCS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效節(jié)約，同時(shí)可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，合理選擇觸發(fā)參數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源節(jié)約與系統(tǒng)性能的折衷平衡。

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CONSTRUCTINGEXPERIMENTPLATFORMFORVIRTUALNCSUNDERDISCRETE

TheverificationoftheoreticalresultsofNCSbasedondiscreteevent-triggeredcommunicationscheme(DETCS)isstillinaMatlabsimulationenvironmentwhichusesasinglecomputerwithoutintroducingtherealnetworkenvironment,andthetraditionalNCSexperimentplatformundertheperiodictime-triggeredcommunicationschemelackstheevent-triggeredconditionconstraintsdrivenbycontrolrequirement.Inviewofthis,wedevelopedtheexperimentplatformofvirtualNCSunderDETCS.Ontheplatform,acampusLANisselectedasthecommunicationmedium,meanwhile,OPCcommunicationprotocolisadoptedincombinationwithSiemensS7-300PLC,theplatformfirstrealisesthecommunicationbetweentheplantandcontrollerwhichisseparatedfromtwocomputers;Then,itintroducesthediscreteevent-triggeredconditionintotheplantoutput,furthermore,invirtueoftheOPCtechnology,whichisprovidedbyMatlabOPCToolbox,andthesoftwareconfigurationmethod,itrealisestheconstructionofvirtualNCSplatformbasedonDETCSunderrealnetworkenvironment.ExperimentplatformtestandresultsanalysisshowedthattheintroductionofDETCScouldtakethecontrolperformanceofNCSandthesavingofnetworkresourceintoconsiderationsimultaneously,andtheconstructedplatformcouldprovideeffectiveengineeringavailabilityverificationplatformfortheoreticalresearchofNCSunderDETCS.

Discreteevent-triggeredNetworkedcontrolsystem(NCS)OPCtechnologyExperimentplatform

2014-07-29。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61364011)；甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1308RJZA148)。曹慧超，博士生，主研領(lǐng)域：故障診斷與容錯(cuò)控制。李煒，教授。申富媛，講師。童源，碩士生。

TP302.8

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.03.032