張陽洋，高立娥，劉衛(wèi)東,2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072； 2.水下信息與控制重點實驗室，西安 710072)

水下航行器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真

張陽洋1，高立娥1，劉衛(wèi)東1,2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072； 2.水下信息與控制重點實驗室，西安 710072)

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計方法中忽略了通信網(wǎng)絡(luò)中的時延和數(shù)據(jù)包丟失等問題，僅通過傳統(tǒng)方法設(shè)計的控制器來降低其對控制系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;對于水下航行器等對系統(tǒng)性能要求較高的水下控制平臺，突破傳統(tǒng)使其在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下能夠穩(wěn)定運行顯得尤為重要;在此背景下，提出了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，以水下航行器為控制平臺，進行系統(tǒng)建模，設(shè)計反饋控制器，使用MATLAB仿真工具TrueTime，研究分析了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下時延和丟包對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)動靜態(tài)性能的影響;仿真結(jié)果表明該設(shè)計方法優(yōu)化了系統(tǒng)性能，為系統(tǒng)在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和數(shù)據(jù)包丟失時能夠穩(wěn)定運行，提供了可靠的參考依據(jù);該設(shè)計結(jié)果具有普適性，也可以用于導(dǎo)彈、坦克等航行器。

水下航行器；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；時延；丟包率

0 引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要區(qū)別在于[1]:網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)采用通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)典型空間分布的傳感器、控制器和執(zhí)行器以及其他節(jié)點之間的信息交互?？刂破魍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)與傳感器和執(zhí)行機構(gòu)交換信息，并實現(xiàn)對遠(yuǎn)程被控對象的控制。更廣泛意義上的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[2]，還包括Internet/企業(yè)信息網(wǎng)路所能實現(xiàn)的對工廠車間、生產(chǎn)線以及工程現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、信息傳輸以及優(yōu)化等。

空間分布的器件通過網(wǎng)絡(luò)的接入對控制系統(tǒng)的動態(tài)行為產(chǎn)生重大影響，且通過網(wǎng)絡(luò)形成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的點對點控制系統(tǒng)要復(fù)雜的多，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓蚕矸绞绞沟镁W(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在許多的不確定性，主要問題有網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延、數(shù)據(jù)包丟失、數(shù)據(jù)包通信錯亂和噪聲干擾等[3]。由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及存在的上述問題，傳統(tǒng)的控制理論與控制方式已不能直接用到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中。針對上述特殊問題，在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究中，一般方法是將控制系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量之間的關(guān)系進行簡化，分別設(shè)計使其滿足一定傳輸時延、數(shù)據(jù)包丟失率。建立其系統(tǒng)模型，分析系統(tǒng)特性、重新評估和建立基于網(wǎng)絡(luò)的控制理論和控制方法。

1 水下航行器運動模型

水下航行器在水中的運動，在一般情況下可以看做是剛體在液體中的空間運動[4]。本文中水下航行器在空間中的運動是六自由度的運動，即水下航行器體坐標(biāo)系相對于地面坐標(biāo)系的位置可以由六個參數(shù)來描述，分別是水下航行器體坐標(biāo)系原點相對地面坐標(biāo)系下的位置參數(shù)x0，y0，z0，以及相對于地面坐標(biāo)系的角度θ、ψ、φ參數(shù)。θ是俯仰角，是水下航行器體縱軸ox與地平面的夾角；ψ是偏航角ox軸在地平面的投影與參考航向角之間的夾角；φ為橫滾角，是立軸oy與經(jīng)過水下航行器縱軸的鉛垂面之間的夾角。由于擾動外力及力矩對各自由度的運動產(chǎn)生不同的影響，同時水下航行器表現(xiàn)出很強的非線性。為了建立水下航行器的運動方程，需要對復(fù)雜的系統(tǒng)進行必要的簡化。水下航行器具有良好的均衡系統(tǒng)和浮力調(diào)整系統(tǒng)，保持水下航行器質(zhì)量和重心基本不變，不計水下航行器的慣性積項，不計水下航行器在航行過程中可能存在的質(zhì)量及質(zhì)量分布的變化。根據(jù)牛頓第一定律和動量定理，結(jié)合水下航行器運動受到的外力作用，水下航行器六自由度空間運動方程如下；

偏航方程:

mxc(vxωy-vyωx)+(Jxx-Jzz)ωzωx=

(1)

輔助方程：

(2)

(3)

(4)

vz(sinψcosφ+sinθcosψsinφ)

(5)

(6)

vz(cosψcosφ-sinθsinψsinφ)

(7)

(8)

(9)

(10)

水下航行器運動模型參照潛艇的六自由度模型。為方便控制系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)試，保留起主導(dǎo)作用的水動力參數(shù)，忽略次要項，并作如下假設(shè)：航向運動是指水下航行器在水平面(地面坐標(biāo)系的x0O0z0平面)內(nèi)的運動。水下航行器的航向運動包括水下航行器浮心在水平面內(nèi)運動和繞Ox，Oy軸轉(zhuǎn)動的合成運動。在水下航行器航向運動中vy，ωz，y0等于零，θ是小量，可近似認(rèn)為sinθ=0，cosθ=1，α是小量，可近似認(rèn)為sinα=0，cosα=1，Θ是小量，可近似認(rèn)為sinΘ=0，cosΘ=1。如果水下航行器有性能良好的橫滾控制，擾動引起的橫滾能很可以得到如下簡化的水下航行器運動方程：

簡化后偏航方程：

(11)

運動參數(shù)：

(12)

(13)

2 水下航行器控制系統(tǒng)仿真模型

根據(jù)水下航行器水下空間運動特點，設(shè)計了航向運動PID控制器，在MATLAB/Simlink下搭建非網(wǎng)絡(luò)體系下控制系統(tǒng)的仿真模型[5]。使用MATLAB/Simulink環(huán)境下的TrueTime工具箱，搭建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真模型。

2.1 傳統(tǒng)水下航行器PID控制系統(tǒng)仿真

在眾多的控制算法中，PID控制是迄今為止最通用的控制方法，PID控制器有結(jié)構(gòu)簡單，對模型誤差具有一定的魯棒性及易于操作等優(yōu)點[6]。選取某航行器航向控制系統(tǒng)為例，分析時延對系統(tǒng)穩(wěn)定性所造成的影響。航向控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是穩(wěn)定和控制航行器的航向，使航行器能夠按設(shè)定航向運動，盡可能不受外界干擾的影響，消除航行器對設(shè)定航向的偏差。其原理圖如圖1所示。

圖1 水下航行器航向控制系統(tǒng)原理圖

其中:ψg為設(shè)定航向，ψT為實際航向。

舵機的傳遞函數(shù)為：

航行器航向狀態(tài)方程為：

Y=Cx+Du

其中矩陣系數(shù)為：

PID控制器的參數(shù)為：

KP=0.435KI=0.0001KD=0.2

給系統(tǒng)輸入方向舵角指令輸入為15°，觀測輸出信號的曲線，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)下仿真結(jié)果

由圖可知，方向舵角指令為15°時，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間為42s，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真模型

研究的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)采用基于CSMA/CD技術(shù)的CAN通信[7]。在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，存在數(shù)據(jù)碰撞和節(jié)點競爭失敗，很可能導(dǎo)致要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包丟失。雖然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)具有重傳機制，但重傳受時間限制，超過限定時間，數(shù)據(jù)包仍會丟失。一個穩(wěn)定運行的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)容許一定量的數(shù)據(jù)包丟失，但數(shù)據(jù)包丟失率超過一定值時，將會導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。在水下航行器控制系統(tǒng)中，傳感器采樣測量水下航行器的航行狀態(tài)數(shù)據(jù)后，定時周期性的傳輸給控制器，用以解算控制信號，然后將控制量傳輸給艉部的舵機執(zhí)行機構(gòu)，操縱舵面，調(diào)節(jié)水下航行器航行姿態(tài)，使水下航行器規(guī)避障礙或完成水中航行作業(yè)等。這些數(shù)據(jù)具有發(fā)送頻率快、每幀數(shù)據(jù)包長度短、實時性強的特點，同時接收端要接收到完整的數(shù)據(jù)包。根據(jù)水下航行器的上述特點，采用CAN總線網(wǎng)絡(luò)。CAN總線，即控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork)的簡稱，相比于其他現(xiàn)場總線，CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信實時性強，各節(jié)點根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán)采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，并且網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。CAN網(wǎng)絡(luò)容易形成冗余結(jié)構(gòu)，便于水下航行器現(xiàn)場進行功能節(jié)點配置，提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中各電子功能節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸是通過網(wǎng)絡(luò)進行的，這是與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)最大的區(qū)別。整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中R(s)、Y(s)、E(s)和分別是系統(tǒng)參考輸入、輸出量和偏差的拉氏變換。被控對象為GP(s)，而PID控制器為Gc(s)。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真需要實現(xiàn)對控制策略和網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度的聯(lián)合仿真，目前的仿真工具有很多，但很少有工具支持控制與實時調(diào)度同時仿真，大部分都忽略了網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度策略對系統(tǒng)性能的影響，未提供對網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度策略的仿真接口[8]。本文介紹MATLAB/Simulink環(huán)境下的TrueTime工具箱，用于研究各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對控制系統(tǒng)性能的影響。TrueTime是Lund Institute of Technology 的Henriksson等人提出的，基于Matlab/Simulink的實時控制與網(wǎng)絡(luò)控制仿真工具箱。TrueTime由模塊庫和mex文件組成。TrueTime仿真器可針對當(dāng)下主要通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，研究不確定因素(如擾動、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時等)對系統(tǒng)控制性能的影響，設(shè)計時變系統(tǒng)的控制器，進行系統(tǒng)時延補償仿真以及CPU占用率、網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)度方法的研究與仿真等[9]。利用TrueTime模塊與普通的Matlab/Simulink模塊連接，形成需要的實時網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過對TrueTime模塊初始化、編寫用戶定義的任務(wù)代碼函數(shù)，實現(xiàn)用戶需要的NCS仿真。

仿真模型，如圖4所示。由圖4可知，該仿真模型用到了TrueTime中的4個Kernel模塊，分別是NCS(networked control systems)系統(tǒng)中的擾動模塊(Interference Node1)(模擬來自網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的其他數(shù)據(jù)信號)、執(zhí)行器(Actuator Node2)、控制器(Controller Node3)、模塊傳感器(Sensor Node4)模塊，另外，還有TrueTime的網(wǎng)絡(luò)模塊Network，用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸[10]。TrueTime Kernel具有靈活的實時內(nèi)核，內(nèi)嵌A/D和D/A轉(zhuǎn)換器接口、網(wǎng)絡(luò)接口(輸入輸出通道)、公共資源(CPU、監(jiān)視器、網(wǎng)絡(luò))的調(diào)度與監(jiān)控輸出端口等。內(nèi)核模塊按照用戶定義的任務(wù)工作，任務(wù)執(zhí)行取決于內(nèi)部事件和外部事件，以中斷方式產(chǎn)生。當(dāng)外部和內(nèi)部中斷發(fā)生時，用戶定義的中斷句柄被調(diào)用去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。中斷句柄工作相當(dāng)于一個任務(wù)，一個中斷句柄被定義為標(biāo)識符優(yōu)先級和代碼函數(shù)，任務(wù)的執(zhí)行與中斷句柄都由用戶編寫的代碼函數(shù)實現(xiàn)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真模型

分析時延對控制系統(tǒng)性能的影響，先設(shè)定網(wǎng)絡(luò)模塊TrueTime Network的參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為1個，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)為3個，數(shù)據(jù)速率選BR=10 Mbps，網(wǎng)絡(luò)模塊采用CSMA/AMP(CAN總線)方式，網(wǎng)絡(luò)信息在傳輸中的數(shù)據(jù)丟失率(Loss probability)選取0，網(wǎng)絡(luò)隨機干擾由任務(wù)代碼實現(xiàn)[11]。

3 網(wǎng)絡(luò)對航向運動控制系統(tǒng)性能的影響

CAN總線中各節(jié)點根據(jù)各自的優(yōu)先權(quán)訪問網(wǎng)絡(luò)資源，產(chǎn)生競爭時，各節(jié)點按照各自優(yōu)先級由高至低依次發(fā)送數(shù)據(jù)。隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)流量增大，網(wǎng)絡(luò)資源競爭激烈，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬有限，網(wǎng)絡(luò)可能一直被較高優(yōu)先級的節(jié)點訪問，而低優(yōu)先級的節(jié)點無法訪問網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，使控制網(wǎng)絡(luò)中的誘導(dǎo)時延增大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，甚至系統(tǒng)崩潰[12]。在實際控制網(wǎng)絡(luò)中，通常存在網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延和數(shù)據(jù)包丟失，本節(jié)以水下航行器航向運動PID控制系統(tǒng)為例，設(shè)方向舵角指令輸入為15°，分析時延和數(shù)據(jù)包丟失對控制系統(tǒng)性能的影響[13]。

3.1 網(wǎng)絡(luò)時延對控制系統(tǒng)性能的影響

設(shè)系統(tǒng)采樣周期T=10 ms，系統(tǒng)時延為τ，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失率r=0(即無數(shù)據(jù)包丟失)，仿真時間為100 s，研究時延對對控制系統(tǒng)的影響。

對應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)情況如圖5～6所示。

圖5 τ=10 ms 航向控制仿真曲線

從圖5可以看出，在τ<10 ms時，系統(tǒng)響應(yīng)與非網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)果比較基本無變化，系統(tǒng)對航向指令的響應(yīng)也基本無變化，但當(dāng)τ=11 ms時，系統(tǒng)開始出現(xiàn)比較明顯的變化。這說明網(wǎng)絡(luò)時延如果控制在一個采樣周期內(nèi)，對控制系統(tǒng)影響基本不大。時延超過一個周期，系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)明顯的變化，系統(tǒng)動態(tài)性能受到了較大的影響，系統(tǒng)已經(jīng)不再穩(wěn)定。

3.2 數(shù)據(jù)包丟失對控制系統(tǒng)性能影響

設(shè)網(wǎng)絡(luò)時延τ=0(即系統(tǒng)無網(wǎng)絡(luò)時延)研究數(shù)據(jù)包丟失對控制系統(tǒng)的影響。時延參數(shù)由程序代碼實現(xiàn)，其余參數(shù)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為1個，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)3個，數(shù)據(jù)速率BR=10 Mbps。

對應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)如圖7～8所示。

圖8 r=0.1 航向控制仿真曲線

由圖7可以看出丟包率r<0.02 時，控制系統(tǒng)響應(yīng)變化比較小。當(dāng)r=0.1 時，系統(tǒng)性能出現(xiàn)明顯變化，控制系統(tǒng)變?yōu)椴环€(wěn)定。

3.3 同時具有時延和丟包對控制系統(tǒng)性能影響

將網(wǎng)絡(luò)延時和數(shù)據(jù)包丟失同時加入控制系統(tǒng)，研究其對控制系統(tǒng)性能的影響。

對應(yīng)系統(tǒng)響應(yīng)如圖9～10所示。

圖9 r=0.02 τ=3 ms 航向控制仿真曲線

圖10 r=0.1 τ=6 ms 航向控制仿真曲線

由圖9可以看出當(dāng)時延和數(shù)據(jù)丟包同時存在時，丟包率為0.02，時延為3 ms時，系統(tǒng)響應(yīng)變化不大，但當(dāng)丟包率為0.1時，系統(tǒng)響應(yīng)有了較明顯的變化。所以為了保證系統(tǒng)的性能指標(biāo)，則時延需小于一個周期，丟包率不超過0.1。

4 結(jié)論

本文分析了網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境給控制系統(tǒng)帶來的時延及數(shù)據(jù)包丟失等問題。運用Truetime網(wǎng)絡(luò)仿真工具進行了系統(tǒng)仿真，以水下航行器航向控制系統(tǒng)為例，得出結(jié)論：以系統(tǒng)一個采樣周期的時間為參照，在只存在時延的情況下，當(dāng)時延小于一個采樣周期時，控制系統(tǒng)穩(wěn)定且動靜態(tài)性能變化不大；當(dāng)時延大于一個采樣周期時，系統(tǒng)性能相應(yīng)明顯變差。只存在數(shù)據(jù)包丟失時，丟包率達到0.1時，系統(tǒng)性能變差。而同時存在時延和數(shù)據(jù)丟包時，丟包率小于0.1，時延小于一個周期時，系統(tǒng)特性基本滿足性能指標(biāo)要求。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用點對點的信息無損傳送方式相比，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有交互性好、減少系統(tǒng)布線、易于維護和擴展、增加系統(tǒng)的柔性和可靠性等諸多優(yōu)點，這些都是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無法比擬的。本設(shè)計中獲得的結(jié)果作為水下航行器實際運行的可靠依據(jù)，也可以用于導(dǎo)彈、坦克等航行器。

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Networked Control System Simulation of Underwater Vehicle

Zhang Yangyang1, Gao Lie1, Liu Weidong1,2

(1.School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072,China；2.Underwater Information and Control Key Laboratory, Xi’an 710072,China)

The problem of delay and packet loss in the communication network was neglected by the design method of the traditional control system. The traditional control method is adopted to reduce the adverse influence on the control system, which seriously affects the stability of the system. For underwater control systems, such as underwater vehicles, which require high system performance, it is very important to break through the tradition to make it run stably in the network environment. Under this background, the design of networked control system is proposed. Underwater vehicle is used as the control platform, the system is modeled and the feedback controller is designed. using TrueTime, the MATLAB simulation tool, we study and analyze the time delay and packet loss on the dynamic or static performance of the traditional control system under network architecture. The results of simulation show that the method can greatly optimize the performance of the system and provide a reliable reference for the system to run stably when the network induced delay and packet loss. The design results are universal, can also be used for missiles, tanks and other aircraft.

underwater vehicle; network control system; time delay; packet loss rate

2017-01-18；

2017-02-27。

國家自然基金項目(61473224);水下信息與控制重點實驗室基金(9140C230202150C23001)。

張陽洋(1991-)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，主要從事網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的方向的研究。

1671-4598(2017)07-0102-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.07.026

TP3

A