TrueTime在实时控制系统仿真中的应用
基于TrueTime工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的应用
第25卷第1期上海电力学院学报Vol .25,No .1 2009年2月Journal of Shanghai U niversity of E lectric Pow erFeb . 2009 文章编号:1006-4729(2009)01-0023-05基于TrueT i m e 工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的应用 收稿日期:2008-08-27(特约稿)作者简介:程启明(1965-),男,教授,硕士生导师,江苏盐城人.主要研究方向为智能控制、电厂自动化等.E 2mail:chengqi m ing@sina .com.基金项目:上海市教委重点科研项目(06ZZ69);上海市教委重点学科建设项目(J51301);上海市电站自动化技术重点实验室资助项目.程启明,郭瑞青,杜许峰,夏 征(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090)摘 要:在引出了网络控制系统概念的基础上,分析了网络控制系统的特性及存在的问题,介绍了NCS 的仿真工具箱TrueTi m e 的组成、功能.以直流电机为对象,建立了一个基于TrueTi m e 的NCS 仿真模型,并进行了控制仿真分析.关键词:网络控制系统;TrueTi m e 工具箱;网络时延;网络调度;实时控制;直流电机中图分类号:TP273 文献标识码:AThe Network Control Syste m Based on TrueTi m e Toolbox and Its Appli cati on i n DC M otor ControlCHENG Q i 2m ing,G UO Rui 2qing,DU Xu 2feng,X I A Zheng(School of Electric Po w er &A uto m ation Engineering,Shanghai U niversityof Electric Po w er ,Shanghai 200090,China )Abstract : The concep t of NCS is intr oduced,the characters and the disadvantages of NCS are analyzed,and the components and functi ons of TrueTi m e t oolbox for NCS si m ulati on are als o intr oduced;then,the NCS si m ulati on model of DC mot or based on TrueTi m e is built,and finally the contr ol si m ulati on on this p latf or m is discussed .Key words : net w ork contr ol syste m;TrueTi m e t oolbox;net w ork ti m e 2delay;net w ork scheduling;real 2ti m e contr ol;DC mot or 近年来,计算机网络技术的飞速发展,引发了控制技术的深刻变革及其相应控制新理论的产生.通过网络形成闭环的反馈控制系统被称为网络控制系统(Net w ork Contr ol Syte m ,NCS )[125],NCS 的理论是20世纪90年代中后期发展起来的新兴控制理论,它已成为当前自动控制技术发展的热点之一.NCS 具有系统连线少、扩展方便、诊断维护简单、灵活性高、可实现资源共享及远程控制等优点,现已广泛地应用于自动化制造工厂、电厂、机器人、航天航空器和电气化运输工具等许多复杂的工业过程中.TrueTi m e 软件包为NCS 理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段,摆脱了软件编程实现特定的网络通讯协议和通信延时所带来的困难,支持控制与实时调度同时仿真,可以方便地仿真实时系统中的控制和资源调度问题.本文介绍了NCS 系统及TrueTi m e 软件包,并讨论利用基于Matlab /Si m ulink 的TrueTi m e 工具包构建直流电机网络控制系统的仿真平台.1 网络控制系统图1为传统控制系统的结构框图.它是点对点连接的控制系统,采用专线连接控制器和被控对象.图1 传统控制系统的结构而NCS 的传感器、控制器、执行器等都通过共同的通讯介质如总线相连,各部分之间可以实现点对点的对等通讯.由于控制网络是一种彻底的分布式控制结构,因此具有系统少、可靠性高、易于扩展以及信息源共享等特点.NCS 可分为远程和局域两种,其中远程NCS 主要用于实现遥操作、遥医学、远程教学和试验等,而局域NCS 则应用于网络家电、蓝牙技术、办公系统和计算机集成制造系统等. 图2为NCS 的总体结构.图2 网络控制系统的总体结构 由图2可知,NCS 是许多控制器和被控对象组成的控制系统集合,它们通过网络连接,控制回路可能有几条,每条回路都可能影响其他的控制回路,传感器、控制器和执行器可以散布到网络各处,以便对某些大型过程进行控制.在NCS 中,每一个直接与网络连接的系统部件称为节点,每个节点可以根据需要和自身的硬件配置执行多个不同任务.监控计算机通过网络接收现场控制层的数据,执行优化算法,并通过网络将优化后的参数下载到现场控制层的相关节点中.图3为图2中一对控制器和被控对象的闭环系统结构,控制回路中测量信号和控制信号都通过网络来收发信号,由此产生两种网络延时.图3 一对控制器和被控制对象的闭环系统结构NCS 主要研究如何实现对控制系统进行实时可靠的网络控制,而网络自身特点造成了NCS 的复杂性[6-9].NCS 的主要特点如下.(1)控制系统所有的设备通过网络实现数据的通讯,系统内部的所有控制设备都应具有网络通讯能力,控制系统通过通讯网络形成闭环.(2)网络通讯介质必须是共享和开放的.网络不但可以被控制系统内部的智能控制节点访问,而且可以满足控制回路外部其他设备的通讯需求.(3)网络上多用户共享通信线路且流量变化不规则;传输数据流经众多计算机和通信设备且路径不是唯一的;数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致时序错乱、数据包丢失.因此,NCS 中的数据传输必然存在时延、丢包、多包传输和网络调度等问题,系统设计必须考虑并解决由此产生的网络带宽和实时性问题.由于网络中信息流存在非线性动力学特性,网络作为闭环反馈控制的一部分和非线性被控对象组成的闭环系统是一个时延变化或不确定的复杂非线性系统.NCS 设计的主要目标是有效地利用有限的总线能力,协调控制算法与资源调度的密切关系,以维持良好的闭环系统性能.在NCS 中以数据包的形式将检测信号和控制信号发送出去,传感器通常是以时间驱动的方式周期性地将检测信号数据包发送给控制器,控制器和执行器则可以是事件驱动的,也可以是时间驱动的.在事件驱动方式下,当一个数据包到达控制器时,控制器才计算一个新的控制量,此时执行器也是事件驱动的,是在一个控制量数据包到达时触发动作而执行;控制器和执行器也可以都42上 海 电 力 学 院 学 报 2009年是时间驱动的,此时两者都以定常时间间隔方式计算或执行最新接收到的数据包信息.2 TrueT i m e工具箱网络的性能测量及评估是NCS能够应用到实际环境中不可缺少的一环.仿真研究是网络化控制系统理论研究的一个重要内容.网络仿真是利用相关的软件技术,构造网络拓扑、实现网络协议、测评网络性能的网络虚拟技术,它包括网络拓扑仿真、协议仿真和通信流量仿真.目前主要的网络仿真软件有以下3种[10].(1)TrueTi m e 是由瑞典Lund工学院Dan Henrikss on和Ant on Cervin等1999年研制出的软件包,它为NCS理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段,能与Matlab/Si m ulink软件包中的其他控制模块相结合,简便快速地搭建分布式的实时控制系统和NCS.(2)NS2 是由美国加州大学的LNBL网络研究组于1989年开发的一个网络仿真软件,具有良好的开放性和扩展性.利用它可以构造各种网络拓扑结构,实现网络协议,测试网络性能,也可以实现新协议和算法的扩充及验证.(3)NCS2Si m u 是由英国Sussex大学开发的网络控制仿真软件包,主要适用在网络统计特征已知的情况下对网络控制性能进行分析仿真研究.另外,还有ST RESS,DRTSS,J itter Bug,Gl o Mo2 Si m,BONeS,COMNETⅢ,SSF Net,OP NET等仿真软件.本文仅介绍TrueTi m e仿真工具箱.TrueTi m e 可以构建分布式实时控制系统的动态过程、控制任务执行及网络交互的联合仿真环境,可以研究各种调度策略和网络协议对控制系统性能的影响.它的主要功能有:研究因强占或者传输延时等时间不定性对控制性能的影响;设计时变系统的控制器,并进行系统补偿;进行灵活的动态调度方法仿真实验;用于仿真事件驱动的控制系统等方面的研究;进行基于多网络平台下的系统仿真.TrueTi m e仿真软件包的优点如下.(1)由于该仿真软件中的计算机模块和网络模块具有通用性,在构建各个处理单元时只需要选用其相应的接口功能进行连接即可,大大加快了仿真控制系统模型的建立速度.(2)可以比较方便模拟各种实时调度策略,通过示波器,可以很方便地观察各个任务的调度情况和对象的输出情况.(3)在网络模块中,可以很方便地模拟数据传输率、包的大小和丢包率等参数,有利于分析各类参数对NCS的性能影响.图4为TrueTi m e工具箱的模块界面. TrueTi m e工具箱主要由实时内核模块(TrueTi m e Ke mel)、有线网络模块(TrueTi m e Net w ork)、无线网络模块(TrueTi m e W ireless Net w ork)和电池模块(TrueTi m e Battery)等4个模块组成.TrueTi m e 中的模块与Si m ulink中的模块相连,就可以构建相应的NCS.图4 TrueTi m e工具箱模块界面(1)实时内核模块 或称计算机模块,可作为网络控制系统的各网络节点使用,具有灵活的实时内核、A/D和D/A转换器接口、网络发送和接收接口、外部中断通道以及多任务调度和监控输出接口,调度器与监控器的输出用于显示仿真过程中公共资源(CP U,以及监控器、网络)的分配情况.内核模块可以按照用户定义的任务执行,它支持固定优先级(p ri oFP)、单调速率(p ri oR M)、截止时间单调(p ri oDM)和最早截止时间优先(p ri oE DF)等4种任务调度算法.任务执行取决于内部事件与外部事件,且以中断方式产生.外部事件与计算机模块的外部中断通道相连,相应的信号改变值时(如信息到达网络)中断被触发.内部事件与定时器相关,当定时器时间到或者任务完成时触发.当外部和内部中断发生时,用户定义的中断句柄被调用去执行中断服务程序.中断句柄工作相似于一个任务,一个中断句柄被定义为标示符、优先级和代码函数,任务的执行与中断句柄都是由用户编写的Matlab或C++语言代码函数实现.52 程启明,等:基于TrueTi m e工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的应用(2)有线网络模块 包括网络输入输出接口、网络调度和监控接口等.当有信息读入或发送时,该模块就采用事件驱动方式执行工作.在仿真环境下,当一条信息的传输完成时,该信息将被存储在目的计算机节点的缓冲区,并以中断的形式通知目的计算机.读入/发送的信息应包含发送和接受节点的信息、用户数据(通常是控制信号或测量信号)、信息总长度、实时特性参数(如优先权、截止时间)等.该模块还可定义节点数、网络速度、媒介访问控制协议和网络时延等参数,按照选定的网络模块模拟数据的接受与发送,支持CS MA /CD (如Ethernet ),CS MA /AMP (如CAN ),Round Robin (如T oken Bus ),F DMA,T DMA (如TTP ),S witched Ethernet 等6种简单的网络协议模型.(3)无线网络模块 其结构与有线网络模块类似,也以事件驱动方式工作.目前主要支持I EEE 802.11b /g (W LAN )和I EEE 802.15.4(Zig Bee )两种无线网络协议.(4)TrueTi m e Battery 电池模块 主要用来为内核模块提供电源功率.它只是一个参数,即初始功率.使用TrueTi m e 仿真时,首先要对NCS 中的网络模块和各个节点即计算机模块进行初始化.初始化涉及输入和输出端口的数目、选择优先级函数、定义代码函数、建立线程与中断句柄等.在初始化时,用户要设置各种参数,编写各种Matlab 语言或C ++代码函数实现所需功能,编写代码可通过调用伪码完成,在计算机内核中提供了一组能够被用户调用的实时伪码.当然,TrueTi m e 仿真软件包也存在一些不足之处.例如,系统功能的实现是在仿真前通过代码完成的,因此,改变系统参数不够直接,操作不够方便;系统仿真中缺少对高层网络协议(如TCP )的仿真,需要对当前的库进行扩展;还要进一步研制硬件模块(如处理器与智能传感器),使得系统功能直接以硬件方式实现.3 在直流电机控制上的应用仿真直流电机是很常见的一种驱动设备,它广泛应用于机器人、数控机床、自动生产线、电动车辆、无人驾驶飞行器等工业控制领域.直流电机的响应速度很快,时间常数较小,对控制回路中的时延比较敏感,可以很好地展示网络产生的时延对控制性能的影响.因此,可选择直流电机作为被控对象来研究NCS 的有关问题[11,12].假设某直流电机的模型传递函数为G (s )=1000s +s2(1)控制器采用数字P I D 控制算法为u (k )=P (k )+I (k )+D (k )P (k )=K[r (k )-y (k )]I (k )=I (k -1)+K TsT i [r (k -1)-y (k -1)]D (k )=a d D (k -1)+b d [y (k -1)-y (k )](2)式中:a d =T d(N T s +T d );b d =N KT d (N T s +T d );r ———给定参考信号;y ———输出信号;u ———控制信号;k ———采样时间点;K ———比例系数;T i ———积分时间;T d ———微分时间;N ———微分增益;T s ———采样周期.利用TrueTi m e 仿真工具箱中的各个模块,在MAT LAB /Si m ulink 仿真环境下,构建了直流电机网络控制系统仿真模型,如图5所示.图5 网络环境下直流电机控制系统 图5中,直流电动机(DC Servo )的控制是通过网络模块(Net w ork )来实现的,时间驱动的传感器节点(Node4)周期性地采集信号,并通过网络模块把信号传给控制器节点(Node3),控制器62上 海 电 力 学 院 学 报 2009年节点接收传感器信号,采用P I D 控制算法计算出控制信号并通过网络模块传给执行器节点(Node2),执行器节点接收控制信号并产生相应的动作,干扰结点(Node1)产生阻碍网络传输的随机干扰信号.设置干扰节点的目的是模拟网络中的负载,周期地发送和接收数据,占用网络带宽,参与控制的网络节点产生传输时延.传感器结点为时间驱动型,而控制器结点和执行器结点内的线程则为事件驱动型.采用根据优先权决定信息的传输顺序的CAN 网络协议(CS MA /AMP ),调度策略采用固定优先级(p ri oFP ),数据传输速率0.1Mbp s,规定干扰结点(I nterference )产生的信息具有最高优先级别,参考信号(Reference )采用零时刻触发的方波信号.仿真系统可以通过发送时延与接收时延进行传输时延的设定. 图6为网络无传输时延时的系统仿真曲线.仿真中的参数取值为:T s =0.001s ,N =100000,T d =0.035s ,T i =0.3s ,K =1.5,给定信号为周期=0.5s ,振幅=1.0的方波,时间延时=0s .图6 没有时延情况下的系统曲线从图6可知,输出信号开始虽有小幅超调,但总体上稳定性较好,输出信号基本上能跟踪给定的方波信号.假设传感器到控制器的接收延时、控制器计算时间时延、控制器到执行器的发送时延都为0.001s ,即整个回路的预计时延为0.003s .图7为网络加入0.003s 时间延时的系统仿真.仿真中的参数取值均不变,仅时间延时=0.003s .从图7可知,输出信号超调加剧,震荡加强,稳定性变差,性能降低.随着时延逐步增加,系统的稳定性也将逐步降低,最终变为不稳定的振荡信号.因此,当系统存在时延且时延变化时,必须改变P I D 控制的控制参数或改用S m ith 预估控制、内模控制、预测控制、自适应控制、鲁棒控制、智能控制、混合控制等某种更高级的控制方法,以适应网络时延变化需要.此外,还应考虑干扰信号和被控对象本身的变化对系统控制性能的影响.图7 加入0.003s 时间延时情况下的系统曲线4 结束语NCS 理论是目前国际控制理论界的研究前沿和热点之一,它综合了计算机网络、计算机通信和自动控制等多方面技术.但是NCS 将通信网络引入闭环控制系统中,也带来了时延等一系列新问题.TrueTi m e 软件工具箱为NCS 理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段,它能够仿真多任务实时控制系统的时间特性,可以用来方便地研究网络调度协议对控制系统性能的影响,实现网络调度与系统控制的结合研究.参考文献:[1] 岳东,彭晨,HAN Q L.网络控制系统的分析与综合[M ].北京:科学出版社,2007:32245.[2] 张庆灵,张雪峰.网络控制系统研究综述与前景展望[J ].信息与控制,2007,36(3):3642370.[3] 黎善斌,王智,张卫东,等.网络控制系统的研究现状与展望[J ].信息与控制,2003,32(3):2392243.[4] 张国峰,王光义,宋强.网络化控制系统:建模、分析与控制[J ].信息与控制,2007,36(3):3712379.[5] 谢林柏,方华京,王华.网络化控制系统的信息调度与稳(下转第38页)72 程启明,等:基于TrueTi m e 工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的应用层个数)原则,考虑到一定的裕量,选择隐含层神经元的个数为10个.神经网络输出层的输出为k p ,k i ,k d 的参数.因为输出参数k p ,k i ,k d 均为非负的数值,所以选取激活函数为g (x )=e x /(e x +e -x).选定各层加权系数的初始权值为(-0.5,0.5)的任意值.选定学习速率为0.25,惯性系数为0.5,此时置循环次数k =1.(2)采样得到r in (k )和y out (k ),计算该时刻误差error (k )=r in (k )-y out (k ).(3)计算神经网络各层神经元的输入和输出,NN 输出层的输出即为P I D 控制器的3个可调参数k p ,k i ,k d .(4)根据增量式数字P I D 的控制算法计算P I D 控制器的输出u (k )=u (k -1)+k p(error (k )-error (k -1)+k i error (k )+k derror (k )-2error (k -1)+error (k -2).(5)进行神经网络学习.取性能指标函数E (k )=1/2r in (k )-y out (k )2,按照梯度下降法在线调整加权系数,实现P I D 控制参数的自适应调整.(6)置k =k +1,返回到(1).4 结束语本文针对火电机组过热汽温串级系统,研究了单神经元自适应P I D 控制器和BP 神经网络P I D 控制器,并在MAT LAB 中进行了过热汽温控制的编程实现.单神经元结构简单,参数设置较为容易,也能够达到较好的控制效果.另外,神经元比例系数对控制性能有较大影响,学习速率对控制性能的影响不敏感,其仿真结果对控制器性能改善和参数的选择具有指导意义.BP 神经网络P I D 适应性强,但BP 网络受初始权值、网络结构以及神经网络参数影响较大,而且网络参数的设置基本上依靠经验,所以要想实现较好的控制效果,必须对网络进行调试.本文所提出的控制方法,若加入作为辨识器的NN I,在无法得知对象的精确模型时,整个控制系统将会有较好的鲁棒性.所以,辨识器NN I 的设计,是今后研究的内容.同时,神经网络BP 算法易陷入局部极小点,如何更好地解决这个问题,也是今后需要进一步深入研究的课题.参考文献:[1] 边立秀,周俊霞,赵劲松,等.热工控制系统[M ].北京:中国电力出版社,2001:1522193.[2] 金以慧.过程控制[M ].北京:清华大学出版社,1993:1255.[3] NARENDRA K S,P ARTHAS ARATHY K .I dentificati on andcontr ol of dyna m ic syste m s using neural net w orks [J ].I EEETrans .Neural Net w orks,1990,(1):4227.[4] 袁曾任.人工神经元网络及其应用[M ].北京:清华大学出版社,1999:1225.[5] 高伟.计算机控制系统:第四册[M ].北京:中国电力出版社,2000:2762282.[6] 马平,朱燕飞,牛征.基于神经网络的主汽温控制系统[J ].华北电力大学学报,2001,28(2):52255.(上接第27页) 定性研究[J ].控制与决策,2004,19(5):5892591.[6] ZHANG L Q,SH I Y,CHEN T W ,et al .A ne w method f orstabilizati on of net 2worked contr ol syste m s with random delays [J ].I EEE Transacti ons on Aut omatic Contr ol,2005,50(8):117721181.[7] MONTESTRUQUE L A,ANTS AK L I S P .Stability of model 2basednet w orkedcontr olsyste m swithti m e 2varyingtrans m issi on ti m es [J ].I EEE Transacti ons on Aut omaticContr ol,2004,49(9):156221572.[8] Z H I V OG LY ADOV P V,M I D DLET ON R H .Net w orked contr oldesign for linear syste m s [J ].Aut omatica,2003,39(4):7432750.[9] TI PS U W AN Y,CHO W M Y .Contr ol meth 2odol ogies in net 2worked contr ol syste m s [J ].Contr ol Engineering Practice,2003,11(10):109921111.[10] 刘峙飞,王树青.网络控制系统的仿真平台设计[J ].仪器仪表学报,2005,26(6):5972600.[11] 何坚强,张焕春,经亚枝.基于Matlab 环境的网络控制系统仿真平台[J ].计算机工程与应用,2005,2(1):1422145.[12] 刘景军,刘晓文,胡萍.实时多任务控制系统的TureTi m e建模与仿真[J ].系统工程与电子技术,2007,29(12):214022142.83上 海 电 力 学 院 学 报 2009年。
truetime仿真
基于Truetime的网络调度策略仿真【实验目的】通过matlab和truetime插件对网络控制系统进行仿真，对比EDF和RM调度算法。
该系统中包括PID控制器、被控对象、传感器、执行器，其中控制器与执行器，传感器与控制器的通讯通过以太网。
【实验步骤】仿真过程首先需要配置matlab中的truetime环境，然后配合simulink相关组件完成系统框图的连接，然后编写truetime模块中的初始化文件，最后进行仿真。
1、truetime组件配置addpath([getenv(’TTKERNEL’)])addpa th([getenv(’TTKERNEL’) ’/matlab/help’])addpath([getenv(’TTKERNEL’) ’/matlab’])按照官方手册中给出的配置步骤，安装truetime 2.0B7。
2、编辑网络控制系统仿真模型网络控制系统包括，执行器，传感器，控制器，被控对象，网络，以及一些其他的辅助功能模块，如参考信号，示波器等。
3、执行器actuator配置执行器的输入信号由控制器通过网络给定，输出直接控制被控对象，因此无输入管脚，有一个输出管脚，连接到网络1，节点2。
初始化文件编写，参照示例中的控制器，改写初始化文件。
function actuator_init% Distributed control system: sensor node%% Samples the plant periodically and sends the samples to the% controller node. Actuates controls sent from controller.% Initialize TrueTime kernelttInitKernel('prioDM'); % deadline-monotonic scheduling% Sporadic actuator taskdeadline = 10.0;ttCreateTask('actuator_task', deadline, 'actuator_code');% Network handlerprio = 1.0;data = 'actuator_task';ttCreateHandler('network_handler', prio, 'nwhandler_code', data);ttAttachNetworkHandler('network_handler')4、传感器sensor配置传感器输入信号由被控对象给定，然后将信号通过以太网反馈给控制器。
基于Truetime工具箱的网络控制系统的仿真研究
基于Truetime工具箱的网络控制系统的仿真研究作者：崔庆权来源：《价值工程》2015年第10期摘要：网络控制系统（NCS）是目前网络和通信领域的研究热点，由于网络的引入，网络控制系统的仿真研究存在一定的难度。
本文首先给出了NCS的定义，介绍了网络控制系统的研究现状，以及现有的网络控制系统的仿真软件，并重点介绍了Truetime工具箱。
应用MATLAB和Truetime工具箱为基础，以一个三回路的网络控制系统为实例建立了Truetime仿真模型，通过仿真数据分析，验证了基于Truetime工具箱的网络控制系统模型的有效性。
网络控制系统的推行，能够有效地减少人工错误，为用户节省大量时间。
Abstract： Networked Control System（NCS） is the research focus in control field. Because of the introduced of Network， it's difficult to research NCS simulation. Firstly， the definition of NCS is given in the paper， and the research of NCS and the simulation tools of NCS are also proposed，especially the Truetime toolbox. Then， the simulation model of a NCS with three-loops is designed by Matlab and Truetime toolbox. According to the analysis of simulation results， the validity of the simulation method is proved.关键词：网络控制系统;Truetime工具箱;仿真;性能Key words： Networked Control System;Truetime toolbox;simulation;performance0; 引言网络控制系统[1，2]（NCS）是指通过实时网络形成闭环的反馈控制系统。
Truetime网络仿真
网络控制系统的调度研究与仿真（Truetime工具）1.节点的驱动方式网络控制系统中的传感器一般采用时钟驱动，传感器的时钟即为系统的时钟，而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。
但事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点：(1)控制器或执行器为事件驱动方式时，从源节点（传感器或控制器）发送的数据一旦到达目标节点（控制器或执行器）便马上执行，而在时钟驱动方式时控制器或执行器的数据被执行要等到规定的时间点，因此事件驱动方式客观上减少了网络诱导时延；(2)控制器或执行器为事件驱动方式时，避免了控制器或执行器为时钟驱动方式时与传感器时钟同步的困难；(3)控制器或执行器采用事件驱动方式时，避免了控制器或执行器为时钟驱动方式时容易出现的空采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。
事件驱动相对于时钟驱动也有一定缺点：(1)在实际运用中事件驱动较难实现。
(2)部分实际的网络控制系统不支持事件驱动方式。
2. TrueTime工具箱结构与功能Truetime是由瑞典Lund工学院Henriksson等人开发的一个基于Matlab/Simulink的实时网络控制系统的仿真工具箱，为NCS理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段，拜托了软件编程实现特定的网络通讯协议、通信延迟所带来的困难，支持控制与实时调度同时仿真可以方便地仿真实时系统中的资源调度问题。
TrueTime仿真软件主要包括两个基本模块：内核模块（TrueTime Kernel）和网络模块（TrueTime Network），如图1所示。
内核模块可以是时间驱动也可以是事件驱动的，它主要包含了一个实时内核，A/D，D/A 转换端口，与网络模块连接的信号端口（信号接收（Rcv），信号发送（Snd）），实时调度（schedule）显示端口等，调度器与监视器的输出用于显示仿真过程中公共资源（CPU、监控器、网络）的分配，此外，它还有一个外部中断通道（Interrupts）可以处理外部中断。
Real-Time Workshop实时仿真研究与应用
ＲＥＮ Ｃ ｕ ｎ —ｊｎ，Ｉ ｈ ａ ｕ ＪＡＮＧ Ｚ ｉ—ｗ ｎ ｈ ｅ
（ ｅ ａｔ ｅｔ ｆ ｏ ｐ ｔｒＮ ｔ ｎ ｌ ｎｖｒｉ ｆ ｅｅｓ ｅｈ ｏｏｙ ｈｎ ｓａＨｕ ａ １０ ３ Ｃ ｉａ Ｄ ｐ ｒ ｎ ｏ ｍ ｕｅ ， ａ ｏ ａ Ｕ ｉｅ ｔ ｏ ｆｎｅＴ ｃ ｎｌｇ ，Ｃ ａ ｇｈ ｎ ｎ４ ０７ ， ｈｎ ） ｍ Ｃ ｉ ｓｙ Ｄ
任传 俊 ， 蒋志文
（ 国防科技 大学计算机学院 ， 湖南 长沙 ４ ０ ７ ） １０ ３
摘要 ： Ａ Ｌ Ｂ 过组件 Ｓｍ ｌ ｋ Ｍ ＴＡ 通 ｉｕｉ 提供了一个动态系统建模、 ｎ 仿真 和综合分析的集成环境 ， 可以在控制领域 中建模并运行仿 真， 却缺少实时仿真支持 。 Ａ Ｌ Ｂ Ｍ Ｔ Ａ 工具 Ｒ ａ — ｉ ｅ ｒｓｏ 可 以从图形模型生成 Ａ Ｓ ｅｌ Ｔ ｋｈ ｐ ｍ Ｗｏ ＮＩ Ｃ源代码 ， 下载此代码在实时操作
中图 分 类 号 ：Ｔ ３ １９ Ｐ ９ ． 文 献标 识码 ： Ａ
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｐ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ａ －Ｔｉ ｅ Ｓ ｍ ｕｌ ｔｏ ｓ ａ ｃ ｎｄ Ａ ｐｌｃ ｔｏ ｆ Ｒｅ ｌ— ｍ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ａ －Ｔｉ ｅ Ｗ ｏ ｋ ｈｏ ｎ Ｒｅ ｌ— ｍ ｒ ｓ ｐ
ＡＢＳ ＴＲＡＣＴ ： ＭＡＴ ＡＢ ｐ ｏ ｉ ｅ ｎ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ｆ ｙ ｔ ｍ ｄ ｌｎ ，ｓｍｕ ａ ｉｎ，ａ ｄ ｓ ｎ ｈ ｔ ａ ｌ ｎ ｌ ｚｎ ｉ Ｌ ｒ ｖｄ ｓａ ｎ ｉｏ ｍｅ ｔｏ ｓｅ ｍｏ ｅ ｉ ｇ ｉ ｌ ｔ ｓ ｏ ｎ ｙ ｔ ｅ ｉ ｌ ａ ａｙ ｉｇ ｖ ａ ｃ ｙ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｉ ｌｎ ｏ ｏ ｅ ｔ ｍｕ ｉ ｋ，ａ ｄ ｃ ｎ ｍｏ ｅ ｎ ｕ ｉ ｌｔｏ ｎ ｆｅｄ ｏ ｏ ｔｏ ．Ｂ ｔｉ ｌ ｃ ｓｔ ｅ ａ ｉ ｔ ｆｒ ａ ｓ ｎ ａ ｄ ｌ ｄ ｒ ｎ ｓｍｕ ａｉ ｎ ｉ ｌ ｆ ｎ ｒ １ ｕ ｔ ａ ｋ ｈ ｂ ｌ ｙ ｏ ｅ ｌ—ｔ ａ ｉ ｃ ｉ ｉ ｍｅ ｓｍｕ ａ ｉ ｎ Ｒｅ ｌ ｔ ｏ ｋ ｈ ｐ ｉ ｌｔ ． ｏ ａ — ｉ Ｗ ｒ ｓ ｏ ，ｗｈ ｃ ｓａ ｔ ｏ ｆＭＡＴ ＡＢ，ｃ ｎ ｇ ｎ ｒ ｔ Ｓ ｏ ｒ ｅ ｃ ｄ ｈ ｃ ａ ｅ ｍｅ ｉ ｈ ｉ ｏ ｌ ｏ Ｌ ａ ｅ ｅ ａ ｅＡＮ ＩＣ ｓ ｕ ｃ ｏ ｅ ｗ ｉ ｈ ｃ ｎ ｂ ｄ ｗｎ ｏ ｄ ｄ ｔ ｍｐ ｅ ｎ ｅ ｌ— ｔ ｉ ｌｔｏ ｎ ｒ ａ ｏ ｌ ａ ｅ ｏ ｉ ｌ ｍｅ ｔ ｒ ａ ｉ ｓ ｍｕ ａ ｉ ｎ ｉ ｅ ｌ— ｔ ｐ ｒ ｔ ｎ ｓ ｓｅ ｍｅ ｉ ｍｅ ｏ ｅａ ｉ ｙ ｔ ｍ． Ｂ ｔ ｍｏ ｔ ｏ ｈ ｅ ｌ— ｔ ｏ ｕ ｓ ｆｔ ｅ ｒ ａ ｉ ｍｅ ｏ ｅ ａ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｎ ｍａ ｋ ｔｈ ｖ ｅ ｉｉ ｎ ｉ ｓ ｉ ｅ ｅ ｏ ｉ ｇｔ ｏ ｓ ａ ｄ ｕ ｅ ｎ ｅ ｆ ｃ ．ＲＴ ｒｖ ｄ ｓ ｒ ａ ｐ ｒ ｔ ｙ ｔ ｍｓ ｏ ｒ ｅ ａ ｅ ｄ ｆ ｅ ｃｅ ｎ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｏ ｌ ｎ ｓ ｒｉ ｔ ｒａ ｅ ｎ ｃ Ｘ ｐ ｏ ｉ ｅ ｅ ｌ— ｔ ｉ ｍｅ ａ ｉ ｔ ｙ ｅ ｔ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ Ｗ ｉ ｄ ｗ ｎ ａ ｌ ｏ ｕ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｕ ｃ ｓ ｏ ｉ ｄ ｗ ． Ｔｈ ｏ ｇ ｅ ａ ａ ｉ ｇ ｔ ｅ ｃ ｄ ｂｌｙｂ ｘｅ ｄ ｎ ｈ ｎ ｏ ｓ ａ ｄ ｃ ｎ ａｓ ｓ ｈ ｅｏ ｒｅ ｆＷ ｎ ｏ ｓ ｉ ｒｕ ｈ ｓｐ ｒｔ ｈ ｏ ｅ ｎ ｇ ｎ ｒ ｔ ｄ ｆ ｒ Ｒ Ｗ ｎ ｅ ｕ ｓｉ ｇ ｒ ａ ｅ ｅ ａ ｅ ｏ ｍ Ｔ ａ ｄ ｒ ｑ ｅ ｔ ｅ ｌ—ｔｍｅ ｃ ｎ ｒ １ ｈ ｎ ｅ ｅ ｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｕ ｄ ｒｔ ｅ ＲＴ Ｓ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ．ｔ ｅ ｎ ｉ ｏ ｔｏ ．ｔ ｅ ｘ ｃ ｔｎ ｈ ｍ ｎ ｅ ｈ Ｓ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｆ ｎ ｔ ｎ ｏ ｅ ｌ ｉ ｉ ｌｔ ｎ ｃ ｎ ｂ ｅ ｌ ｅ ．Ｅ ａ ｌ ｓｖ ｒ ｉ ｄ ｔ ｅ ｃ ｒｅ ｔ ｅ ｓａ ｄ ｒ ａ —ｔｍｅ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｕ ｃ ｉ ｆ ａ —ｔ ｏ ｒ ｍｅｓ ｍｕ ａ ｉ ａ ｅ ｒ ａ ｉ ｄ ｘ ｍｐ ｅ ｅ ｉ ｅ ｈ ｏｒ ｃ ｎ ｓ ｎ ｅ ｌ ｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｏ ｚ ｆ ｏ ｈ ｓｍｅ ｈ ｄ ｆｔ ｉ文章编号 ：０ ６—９ ４ （０ ７ ０ １０ ３８ ２０ ） ８—０ ６ ２ ８—０ ４
基于TrueTime的智能家居系统WSN仿真分析
０ 引言
随着 生活水 平 的提高 ，人们 对智 能家 居 系统 的
非 常 复 杂 ，本 文 涉 及 的无 线 传 感 器 网络 ，主 要 是 针 对 家 居 系统 的 环 境 监 测 、 安 防 方 面 而 设 计 的 。
Ｔ ｕ ｉ ｅ ｔ ｒ ｒ ｅＴ ｍ ｔ ｙ Ｂｅ ｅ
ＷＳ 仿真 系统 中包括三个节 点和一个无线 网络 Ｎ
图２ ｒｅ ｉ Ｔ ｕＴｍｅ部分模块框图
模块 ，三个 节 点分 别为传 感器 节点 ，控制 节点 ，干 扰节 点 。其 中传 感器 节点 为时 间驱动 ，周期 性采 集 信号 ， ＷＳ 发送 给控制 器 ， 由 Ｎ 控制节 点为事 件驱动
３ｏ ０ ｏ Ｏ０
３ ０ ３ Ｏ －８ ４
３ 构建基于Ｔｕ Ｔ 的ＷＳ 仿真模型 ｒｅ ｉ ｍｅ Ｎ
３１ 系统建 立仿 真 模型 ．
在 本 系 统 中 ，利 用 传 感 器 节 点 周 期 性 的 采 集
空旷场 合 ，各节 点 的最大 距 离可 以达到 ６ 米 ， ｏ
在 家 居环 境 中各房 间之 间 的墙壁 阻 断 等各 种 因素 ， 设 置 节 点 间最 大 的 距 离 为 ４ ５米 ，超 过 ４ ５米 ，节 点 将 自动寻 找新 的 网络 。
多 则成本 越高 ，而且 加 删节 点不方 便 ，使用无 线 网
络 可 以方便解 决上 诉 问题 ，智能家 居 系统 中的节 点
距 离近 ，对数 据 的传输 速率 要求 不高 。而且 Ｚｇ ｅ ｉｂ ｅ 技 术具 有 超低 功 耗 ，体 积小 ，组 网方 便 ，复 杂程 度 低 等优 势 ，在智 能家居 系统 中得到 广泛 应用 。 在 基 于 ｚ ｂ ｅ 术 的智 能 家 居 ＷＳ 系统 中 ， ｉ ｅ技 ｇ Ｎ 主要 利 用 Ｗ Ｓ 进行 各 种检 测信 号 与控 制信 号 的传 Ｎ 输 ，在 整 个无 线 网络 稳 定运 行 过 程 中涉 及 关 键 因 素 包 括 控 制 算 法 、时 延 、丢 包 、数 据 传输 、节 点 功 率 消 耗 等方 面 。 由于 实 验 条 件 的 限 制 ，本 文 主
Truetime网络仿真(可修改)
网络控制系统的调度研究与仿真（Truetime工具）1.节点的驱动方式网络控制系统中的传感器一般采用时钟驱动，传感器的时钟即为系统的时钟，而控制器和执行器既可以是时钟驱动，也可以是事件驱动。
但事件驱动相比于时钟驱动具有以下优点：(1)控制器或执行器为事件驱动方式时，从源节点（传感器或控制器）发送的数据一旦到达目标节点（控制器或执行器）便马上执行，而在时钟驱动方式时控制器或执行器的数据被执行要等到规定的时间点，因此事件驱动方式客观上减少了网络诱导时延；(2)控制器或执行器为事件驱动方式时，避免了控制器或执行器为时钟驱动方式时与传感器时钟同步的困难；(3)控制器或执行器采用事件驱动方式时，避免了控制器或执行器为时钟驱动方式时容易出现的空采样和数据丢失，提高了反馈数据的利用率。
事件驱动相对于时钟驱动也有一定缺点：(1)在实际运用中事件驱动较难实现。
(2)部分实际的网络控制系统不支持事件驱动方式。
2. TrueTime工具箱结构与功能Truetime是由瑞典Lund工学院Henriksson等人开发的一个基于Matlab/Simulink的实时网络控制系统的仿真工具箱，为NCS理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段，拜托了软件编程实现特定的网络通讯协议、通信延迟所带来的困难，支持控制与实时调度同时仿真可以方便地仿真实时系统中的资源调度问题。
TrueTime仿真软件主要包括两个基本模块：内核模块（TrueTime Kernel）和网络模块（TrueTime Network），如图1所示。
内核模块可以是时间驱动也可以是事件驱动的，它主要包含了一个实时内核，A/D，D/A 转换端口，与网络模块连接的信号端口（信号接收（Rcv），信号发送（Snd）），实时调度（schedule）显示端口等，调度器与监视器的输出用于显示仿真过程中公共资源（CPU、监控器、网络）的分配，此外，它还有一个外部中断通道（Interrupts）可以处理外部中断。
基于Truetime工具箱的网络控制系统的仿真研究
应用 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ和 Ｔ ｒ ｕ ｅ ｔ ｉ ｍｅ． ２ ｆ － 具箱为基础 ， 以一个三 回路 的网络控制 系统 为实例建 立 了 Ｔ ｒ ｕ ｅ ｔ ｉ ｍ ｅ仿真模型 ， 通过仿真数据 分析 ， 验证 了基 于 Ｔ ｒ ｕ ｅ ｔ ｉ ｍｅ 工具箱的网络控制 系统模型的有 效性 。网络控制 系统的推行 ， 能够有效地减少人工错误 ， 为用户节省 大量时间。
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｅ ｄ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ（ ＮＣＳ ）ｉ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ． Ｂｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｏ ｆ Ｎｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ， ｉ ｔ Ｓ ｄ ｉ ｆ ｉ ｆ ｃ工程
基于 Ｔ ｒ ｕ ｅ ｔ ｉ ｍｅ 工 具箱 的 网络控 制 系统 的仿 真 研 究
Ｔｈ ｅ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｒｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｎ Ｎｅ ｔ ｗｏ ｒ ｋ ｅ ｄ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｔｒ ｕ ｅ ｔ ｉ ｍｅ Ｔｏ ｏ ｌ ｂ ｏ ｘ
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｐ １ ３
文献标识码 ： Ａ
文章 编 号 ： １ ０ ０ ６ — ４ ３ ｌ １ （ ２ ０ １ ５ ） １ ０ — ０ ２ ７ ０ — ０ ２
０ 引 言
网络技术在控制领域 的应用 ， 同时又推动着控制领域 不断
网络控制 系统ｆ １ １ （ Ｎ Ｃ Ｓ ） 是指通 过 实时 网络形成 闭环 的朝着信息化 、 高速化 的方向发展 ， 可 以说前景远 大。 目前 的反馈控制 系统。 网络控制 系统将不 同地域 的传感器 、 控 网络控 制系统 的调度 与控制 的研究还 处于 薄弱环节 ， 需要 制器 、 执行器等 分布节点通过 网络连 接起来 ， 从 而形成 了 进 一 步 的深 入 研 究 。 结构更加灵活 ， 功能更 为强大 的控制体 系。这种基于 网络 Ｎ Ｃ Ｓ具有两个特 性 ， 一 个是时 间特 性 ， 另一个 是事件
基于TrueTime的网络控制系统调度算法的仿真研究
图 １ ｆｕ ｉ ｅｌ ｒ ｍｅ仿 真 工 具 箱
算 法 等 多 方 面 进行 综合 仿 真 研 究 ，从 而 给 网络 控 制 系统 的研 究 提 供 了 一 个仿 真平 台 。
１ Ｔ ｕ Ｔｍｅ仿 真 工具 箱 ｒｅ ｉ Ｔｕ Ｔｍｅ仿 真工 具 箱 具 有很 强 的功 能 ， 以用 于 ： 究 因强 ｒｅ ｉ 可 研 占或 网络 传 输 时 延 等 时 间不 定性 对 控 制 性 能 的影 响 ； 具 有 时变 对 系统 的 控 制 器 进 行 设计 ， 系 统 进 行 补 偿 ； 网 络控 制 系统 中 多 对 对 种 调 度 算 法 进 行仿 真研 究 ；对 事 件 驱 动 的控 制 系统 进 行 仿 真 研 究 。 ｒｅ ｉ Ｔｕ Ｔｍｅ工具 箱 是理 想 的 网络 控 制 系统 仿 真平 台 ，ｒｅ ｉ Ｔ ｕ Ｔｍｅ 工 具 箱 如 图 １所示 ， 主要 包 括 Ｔｕ Ｔｍｅ Ｋ ｒｅ、ｒｅ ｉ ｅ－ ｒｅ ｉ ｅｎ ｌ ｕ Ｔｍｅ Ｎ ｔ Ｔ ｗｏｋＴｕ Ｔｍｅ Ｗ ｉ ｌｓ ｅｗｏｋＴｕ Ｔｍｅ Ｂ ｔ ｒ ｒ、ｒｅ ｉ ｒ ｅ ｓ Ｎ ｔ ｒ、ｒｅ ｉ ａｔ ｙ四个 基本 ｅ ｅ
网 络 传输 层 的 上层 ， 在 一个 多任 务 的 控制 网 络 中 ， 什 么 样 的 即 用
调 度 算 法 实 现 网络 通 信 ，调 度 程 序 根 据 要 求 主 动 决 策 信 息 分 发
传 送 规 则 ， 多 长 时 间 传 送 一 次 ， 多 高 的优 先 级 传 递 信 息 ， 如 以 该 规 则 和 具 体 的 网 络 协议 无 关 。
由瑞 典 Ｌ ｎ 工 学 院 的 Ｄ ｎ Ｈ ｎｉ ｓ ｎ和 Ａ ｔｎ Ｃｅｖｎ ｕｄ ａ ｅ ｒｓｏ ｋ ｎｏ ｒｉ 等 学 者 开 发 的 一 种 基 于 Ｍａｌｂ Ｓｍｕｉｋ的 实 时 控 制 与 网 络 控 ｔ ／ｉ ｌ ａ ｎ
网络控制系统的TrueTime分析与仿真
的 网络 控 制 仿 真 工 具 箱 Ｔｒｅ ｍｅ 网络 控 制 系统 的仿 真研 究 提 供 了简 易可 行 、 能 齐 全 的 工 具． ｒｅ ｉ ｅ可 以 ｕＴｉ 为 功 Ｔ ｕＴ ｍ
对网络 时延、 网络参数、 控制方法、 网络调度等 多方面进 行综合仿真研 究， 实现控 制性能与 网络 调度 同时仿真 的要 求， 使得 网络控制 系统的仿真研 究更为容 易． 本文介绍 了 Ｔｒｅ ｍｅ工具箱 的组成与 功能， ｕＴｉ 结合 直流 电机 网络控制
时间 、 队列 中的任务完 成和定 时时 间到等 ） 和外 部事
的用户实现资源共享和协调操作， 是一种集通信网 络 和控制 系统于一 体 的全分 布式 、 网络化 、 时反馈 实 控制 系统 ［ 由于 网络 的 引入 ， １ 剖． 导致 数 据 信 号 网络
诱 导延迟 ， 种延迟 是时不 变的或时 变的 ， 这 使得 控制 系统 的分析与设 计 变得 复 杂． 网络 控制 系 统 的设 计 除 了要 考虑通 常的 控 制算 法设 计 ， 还要 考 虑 网络 资
１ Ｔｒｅ ｉ 工 具 箱 的 组成 与 功 能 ｕＴｍｅ
Ｔｒｅ ｉ 工 具 箱 是基 于 Ｍａｌ ／ Ｉ ｕ Ｔ ｍｅ ｔ ｂ ＳＭＵＩ ＮＫ ａ Ｉ
任 务调度 接 口和监 控接 口． Ｄ接 口连 接外 部模 拟 Ａ／ 信号， 将信 号转换 为计 算 机 模 块 内部 使用 的数字 信
仿 真系统 的 ， 为 Ｍａｌｂ ＳＭＵＩＮＫ 扩展 了基 于 它 ｔ ／Ｉ ａ Ｉ
号 ；／ Ｄ Ａ接 口将内部的数字信号转换为模拟信号并 输出； 网络 发送接 口将模块 内部 数据输 出到 网络 ； 网
网络仿真和多任务调度功能． 它由 ６ 个模块构成， 即
TrueTime在实时控制系统仿真中的应用
2. 27 ×10 - 3 kg ·m2 。2 个对象的采样时间和调度
策略可以在控制计算机的初始文件中用 tt Create2
Perio dic Task 和 t t Init Kernel 函数设定。
2. 3 仿真实验及结果
首先 ,根据 2 个倒立摆的近似线性模型 ,利用
L Q R 方法 ,在 Q = diag ( [ 0. 25 0 4 0\ 〗) , R = 0. 003
z = Az + Bv
(1)
z = [ x x φ φ] T
式中 x 小车位移
x 小车速度
φHale Waihona Puke 摆杆偏角φ 摆杆角速度v 控制输入
0
0 A=
0
1 - b( J + mL2 )
K 0
0
0
- m2 L 2 g
0
K
1
0
0
mL b K
《机械与电子》2005 (3)
mL g ( M + m) K
0
a. 静态调度策略是一类优先级固定的调度策 略 。应用这类调度策略时 ,各控制任务的优先级在 控制器设计时就已确定 ,并且不随控制任务的执行 时间变化 , 如固 定优 先 级 调 度 FP 和 单 速 率 调 度 RM 。
b. 动态调度策略是一类优先级动态变化的调度 策略 。应用这类调度策略时 ,各控制任务的优先级 随各控制任务的执行时间或截止时间动态变化 ,如 最早时限优先调度 ED F 和单时限调度 DM 。 2. 2 控制系统结构
4 结束语
面绘制算法适用于原始数据是离散的三维空间 数据场 ,断层图像三维重构的应用实例中的算法就 是类似于 MC 的构造等值面算法 。此方法构造出 的图像虽不能反映整个原始数据的细节 ,但可以对 等值面产生清晰的图像 ,并且可利用现有的图形硬 件实现较快的绘制 。
矩阵实验室的仿真工具True Time设计
矩阵实验室的仿真工具True Time设计
何莹;孙剑
【期刊名称】《武汉工程大学学报》
【年(卷),期】2014(000)011
【摘要】为了便于研究网络控制系统，使用了基于矩阵实验室的功能强大的TrueTime（TT）网络仿真工具箱。
它包括网络和计算机两个接口模块，网络模块支持对六种网络的配置；计算机模块具有模拟／数字的转换器，实时内核，网络接口以及外部通道。
研究了在矩阵实验室编译环境下利用 TT工具箱进行网络控制仿真的方法和流程，主要包括TT工具箱的调用、初始化、编译、控制算法S函数的调用和网络配置方法等。
最后给出了两个利用TT工具箱进行网络控制仿真的实例。
通过TT进行网络控制仿真能够较好地再现网络控制系统的特征，具有结果可信程度高、易于实现等特点。
【总页数】5页(P70-74)
【作者】何莹;孙剑
【作者单位】泰州学院计算机科学与技术学院，江苏泰州225300;泰州学院计算
机科学与技术学院，江苏泰州225300
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
【相关文献】
1.基于TrueTime的网络控制系统设计与仿真 [J], 蒋蓉蓉;夏荣坤;陈亮
2.基于TrueTime的网络控制系统设计与仿真 [J], 蒋蓉蓉;夏荣坤;陈亮;
3.实时控制系统仿真工具TrueTime精度的实验研究 [J], 马江;吉华;曹廷发;付耀国
4.基于TrueTime的涡扇发动机分布式控制系统及其数字仿真平台设计 [J], 陈亮;郭迎清
5.基于TrueTime的光伏-通信联合仿真模块设计 [J], 陈璐;王越;唐巍;张博;蔡永翔因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于TrueTime的网络控制系统分析与仿真
附件2武汉轻工大学毕业设计（论文）任务书及指导书一、任务书二、指导书（1）可行方案的筛选方法提要：在明确设计任务的前提下，对基于TrueTime的网络控制系统分析与仿真的可行方案进行筛选。
，选出最好方案。
（2）已学过的相关知识提要以及与本课题有关的新知识已学过的相关知识有：Matlab，网络基础知识，电动机，自动控制原理。
与本课题有关的新知识有：网络控制系统，TrueTime，网络控制系统分析与仿真。
（3）毕业设计（论文）进度安排第1周：文献查阅（15篇以上）,英文资料翻译；第2周：熟悉掌握网络控制系统的基础知识；在明确设计任务的前提下，对基于TrueTime 的网络控制系统分析与仿真的可行方案进行筛选。
第3周：提交开题报告及总体设计方案；第4周：学习了解网络控制系统及TrueTime软件包。
第5周：深入了解基于TrueTime的网络控制系统分析与仿真的主要内容，明确网络控制系统的组成方式。
第6周：确定基于TrueTime的网络控制系统分析与仿真的具体设计方案第7周：利用基于Matlab /Simulink的TrueTime 工具包构建直流电机网络控制系统的仿真平台。
第8周：进行网络控制系统仿真分析。
第9周：完成“基于TrueTime的网络控制系统分析与仿真”的预期目标。
第10周：撰写毕业论文；毕业答辩。
（4）本题目的重点和难点基于Matlab /Simulink的TrueTime 工具包，网络控制系统的概念,网络控制系统的特性及存在的问题，构建直流电机网络控制系统仿真平台。
网络控制系统分析与仿真。
（5）若有同组其它学生参加同一课题应指明所做题目之间的关系，无。
（6）列出主要参考文献和研究与设计内容的检索关键词（中英文）主要参考文献：[1] 郑文波编著控制网络技术北京清华大学出版社，2001.8[2] 周又玲MATLAB在电气信息类专业中的应用北京清华大学出版社，2011.6[3] 张喜民，李建东，陈实。
基于Truetime网络控制系统的仿真
海南大学本科生 2010—2011学年度第2学期课程考查论文学院（中心、所）：信息科学技术学院专业：电子信息工程研究方向：班级：学生姓名：学生证号：课程名称：论文题目：基于Truetime的网络控制系统的仿真任课老师：（以上由学生填写）教师评阅：阅卷教师（签名）：年月日——————目录——————摘要 (3)关键词 (3)网络控制系统概述 (3)Truetime的安装 (3)（有线网络控制系统）一、组成结构 (3)二、存在的问题 (4)三、分散式有线网络控制系统的仿真实例 (4)①Network (5)网络参数 (5)网络模式 (8)②Truetime Kernel (8)一、传感器 (8)二、控制器 (10)三、执行器 (11)四、干扰节点 (11)③被控对象 (12)（无线网络控制系统）一、组成结构 (13)二、存在的问题 (13)三、无线网络控制系统的仿真实例 (14)①Network (15)②Truetime Kernel (17)③被控对象 (18)结束语（感想） (19)参考文献 (19)摘要：MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它主要包括MATLAB和Simulink仿真两大部分。
随着科学技术的迅猛发展，MATLAB 在通讯系统设计与仿真中的应用也越来越广泛。
而网络控制系统又是电子专业课程极其重要的一部分，故掌握好网络控制系统的仿真便显得尤为重要了。
本文通过对有线与无线网络控制系统的举例，详细地分析了Truetime工具箱中各个模块的功能，阐述了有线网络控制系统中数据包丢失、稳定性等问题以及无线网络控制系统中功率控制策略的问题。
关键词：MATLAB Truetime 网络控制系统丢包干扰节点稳定性功率控制网络控制系统概述：网络控制系统（NCS，Networked Control System）是指由传感器、控制器和执行器通过通信网络形成的实时闭环的控制系统。
基于TrueTime的网络控制系统仿真平台的构建及其仿真分析
基于TrueTime的网络控制系统仿真平台的构建及其仿真分析周艳;陈永建【摘要】TrueTime is a Networked Control System simulation toolbox based on MATLAB/Simulink, and it is a Networked Control System virtual simulation tool that is widely used. A simulation platform based on Truetime, and explains the construction method through a Spring-Damping System simulation model is introduced, and it is proved that this platform can well simulate network environment comparing with MATLAB step response curve. In view of network delay and data loss, their influence on NCS is verified.%TrueTime是基于MATLAB／Simulink的网络控制系统仿真工具箱，是目前使用较为广泛的网络控制系统虚拟仿真工具。
介绍了一种基于TrueTime的网络控制系统仿真平台，并用基于TrueTime的弹簧-阻尼系统仿真模型为实例，说明该仿真平台的构建方法，同时通过与MATLAB的阶跃响应曲线对比，证明该仿真模型可以很好地模拟网络环境。
针对网络控制系统中网络时延和数据包的丢失这两个主要问题，通过对仿真结果的分析，验证网络时延、数据丢包等因素对网络控制系统控制性能的影响。
【期刊名称】《北京联合大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)004【总页数】5页(P18-22)【关键词】TrueTime;网络控制系统;网络时延;数据丢包【作者】周艳;陈永建【作者单位】肇庆学院电子信息与机电工程学院,广东肇庆526061;肇庆学院电子信息与机电工程学院,广东肇庆526061【正文语种】中文【中图分类】TP2730 引言网络控制系统(Networked Control System，NCS)是一种完全网络化、分布化的控制系统，是通过网络构成闭环的反馈控制系统。
实时多任务控制系统的Truetime建模与仿真
第29卷 第12期系统工程与电子技术Vol.29 No.122007年12月Systems Engineering and Electronics Dec.2007文章编号:1001-506X(2007)12-2140-03收稿日期:2006-09-12;修回日期:2007-01-19。
作者简介:胡景军(1983-),男,硕士,主要研究方向为通信电路与系统,监测监控系统。
E -mail:h jjcumt@实时多任务控制系统的Truetime 建模与仿真胡景军,刘晓文,胡 萍(中国矿业大学信息与电气工程学院,江苏徐州221008)摘 要:实时性是控制系统的普遍要求,多任务是目前分布式控制系统的主流趋势。
目前基于嵌入式系统(embeded syst em )的智能化的控制节点,必须实现合理的任务调度和实时控制。
介绍一种基于M atlab/Sim ulink 的T ruet ime 工具箱的实时多任务控制系统的建模仿真方法,并给出了CAN -Ethernet 网络平台下的监控系统的仿真分析。
关键词:实时控制;T ruetime 工具箱;仿真;M atlab/Simulink中图分类号:T P 273 文献标志码:AModeling and simulation of real time and multitaskcontrol systems in TruetimeH U Jing -jun,LIU Xiao -w en,H U Ping(Coll.of Inf ormation and Electrical Engineering ,China Univ.of Mining and T echnology ,X uzhou221008,China) Abstract:Real t ime charac t er is t he comm on request of cont rol system s,multitask is the m ainst ream of thedistributed control system now adays.Int elligent cont rol nodes based on embedded syst ems m ust realize taskscheduling and real t im e cont rol.T he method of using Truet ime w hich is a Matlab/S imulink based toolbox to m odel and simulate real tim e and mult itask cont rol system s is show n.T he simulat ion analysis of m onitor and control system s under CA N -Eth ernet netw ork platform is also int roduced.Keywords:real time control;T ruet im e toolbox;simulation;M atlab/Sim ulink0 引 言随着复杂控制系统的出现,嵌入式系统在多任务实时控制系统的设计中已经发挥了越来越多的作用,嵌入式控制系统的设计中必须考虑多任务的合理调度,从而保证各个控制任务执行的实时性,因此有必要进行系统建模与仿真分析。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
T rueT ime 在实时控制系统仿真中的应用王轶卿,赵英凯(南京工业大学,江苏南京210009)T he Application of TrueTime in Simulat ion of Real t ime Control SystemWA NG Yi qing,ZHAO Ying kai(N anjing U niver sity o f T echno log y,N anjing 210009,China)摘要:介绍一种M atlab 环境下的实时控制系统仿真工具箱T rueT ime,研究了2类调度策略对双倒立摆协调控制系统性能的影响,说明了利用该工具箱在实时控制系统仿真研究中的可行性和灵活性。
关键词:TrueTime;实时控制;仿真工具箱;倒立摆中图分类号:T P273文献标识码:A 文章编号:10012257(2005)03007202收稿日期:20041224Abstract :Sim ulink too lbo x,nam ed by Tru eT im e,based on M atlab has been introduced in this paper.it is studied how tw o kinds o f scheduling po lice affect the perfo rmance o f tw o single inv erted pendulum control system,and the capacity and effi cacy of this toolbox in the simulatio n o f the real tim e control sy stem is sho w n.Key words:TrueTime;r ealtim e contro l;simulatio n toolbox ;inv erted pendulum1 T rueT im e 工具箱TrueTime 工具箱是瑞典Lund 工学院的Dan H enriksson 和Anton Cer vin 等学者开发的一种基于Matlab 的实时控制与网络控制仿真工具箱[1-2]。
利用该工具箱,研究人员可构建分布式实时控制系统的动态过程、控制任务执行以及网络交互的联合仿真环境。
在该仿真环境中,可以研究各种调度策略和网络协议对控制系统性能的影响,其控制任务既可以用C ++代码编写,也可以在Matlab 的M 文件中编写,还可以利用Sim ulink 仿真模块的形式实现。
Tr ueTim e 工具箱主要包括计算机模块(T rueT ime Kernel)和网络模块(TrueTime Net w ork)2个模块[3]。
1.1 计算机模块该模块主要是通过S 函数仿真实现一个控制计算机环境,该环境包含了简单但灵活的实时内核、A/D 以及D/A 转换器、网络接口以及外部中断通道。
其中实时内核包括大量的数据结构,如等待队列、时间队列、线程纪录、中断处理器和计时器等。
该模块主要用于执行用户定义的线程以及中断处理,如I/O 任务,控制器任务和网络交互任务等。
独立的计算机模块功能是完全由用户决定的。
1.2 网络模块该模块主要用于按照选定的网络模型模拟数据的接收与发送,当有信息读入或发送时,该模块被触发执行相应的功能。
通常情况下,读入/发送的信息应包括接收方和发送方主机节点的信息,用户定义数据(通常是控制信号或测量信号),信息总长度,实时属性参数如优先权、截止时间等。
在该模块中,还可以方便地定义网络速度、传输控制协议以及许多其它的网络模型参数。
在仿真环境下,当一条信息的传输完成时,该信息将被存储在目的主机节点的缓冲区,并以中断的形式通知目的主机。
上述2个模块均为事件驱动,包括内部事件和外部事件。
内部事件通常是由时钟中断触发的,如时间队列释放一个任务或是计时终结都会引发时钟中断。
而外部事件主要是和网络模块的外部中断通道有关,当相应的通道的信号值改变就会触发中断[2]。
除了计算机模块的A/D 转换接口的输入信号是连续时间信号外,这2个模块所有端口的输入都是离散时间信号,输出也都是离散时间信号。
用户还可以利用输出端 Schedule 和 Mo nitors 查看仿真过程中系统资源的分配情况。
2 T rueT im e 仿真工具箱应用实例下面应用仿真工具箱,通过对2个一级倒立摆的近似线性模型的协调镇定控制的研究,分析静态调度策略(static scheduling )和动态调度策略(dy namic scheduling)对控制性能的影响。
2.1 2类调度策略比较a.静态调度策略是一类优先级固定的调度策略。
应用这类调度策略时,各控制任务的优先级在控制器设计时就已确定,并且不随控制任务的执行时间变化,如固定优先级调度FP 和单速率调度RM 。
b.动态调度策略是一类优先级动态变化的调度策略。
应用这类调度策略时,各控制任务的优先级随各控制任务的执行时间或截止时间动态变化,如最早时限优先调度EDF 和单时限调度DM 。
2.2 控制系统结构利用T rueT ime 工具箱,针对2个一级倒立摆对象,可以构建如下的双倒立摆协调控制仿真系统,如图1所示。
图1 双倒立摆协调控制系统结构图控制计算机可用工具箱中的计算机模块实现,受控对象1和对象2为如式(1)的一级倒立摆近似线性模型,并可用Matlab/Sim ulink 中的Subsy s tem 模块实现。
z =Az +B v (1)z =[x x ]T式中 x小车位移 x 小车速度 摆杆偏角 摆杆角速度 v控制输入A =01000-b(J +mL 2)K-m 2L 2g K 000100mL b KmL g (M +m)KB =0J +mL 2K 0-mL KK =J (M +m)+M mL 2各参数值可参考真实倒立摆对象得到:滑动小车的质量M =1.32kg ,摆的质量m =0.109kg,小车摩擦系数b =0.1N /m !s -1,重力加速度g =9.8m/s 2,质心距节点的距离L =0.25m,转动惯量J =2.27∃10-3kg !m 2。
2个对象的采样时间和调度策略可以在控制计算机的初始文件中用ttCreate PeriodicTask 和ttInitKer nel 函数设定。
2.3 仿真实验及结果首先,根据2个倒立摆的近似线性模型,利用LQR 方法,在Q =diag ([0.25040\%),R =0.003时,可以得倒立摆的状态反馈矩阵K lqr =[-9.129-10.53972.49511.378];然后,在Kernel 模块的初始文件中,用ttCreatePeriodicT ask设定对象1的采样时间0.06s 和对象2的采样时间0.006s,并用ttInitKer nel 设定控制计算机的调度策略,研究静态调度策略和动态调度策略对控制系统性能的影响,并进行仿真实验,得到如下的仿真结果。
2.3.1 静态调度当对象1的优先级高于对象2时,2个对象均稳定,结果如图2所示。
图2 静态调度仿真曲线当对象2的优先级高于对象1时,对象1不稳定,对象2稳定,结果如图3所示。
图3 静态调度仿真曲线(下转第79页)维医学断层图像存成三维数据阵列的功能,原始的二维断层图像为DICOM格式;另一源文件则实现三维表面重构,并将重构表面的最终结果显示在屏幕上。
用到的关键函数是SH ADE_VOLUM E,此函数采用类似M arching Cubes算法的面绘制方法[9]。
该程序开发的软件环境是:Window2000 Pro fessio nal+IDL5.4,硬件环境是:CPU CEL ERON366+内存128M+显存8M。
4 结束语面绘制算法适用于原始数据是离散的三维空间数据场,断层图像三维重构的应用实例中的算法就是类似于MC的构造等值面算法。
此方法构造出的图像虽不能反映整个原始数据的细节,但可以对等值面产生清晰的图像,并且可利用现有的图形硬件实现较快的绘制。
IDL采用的面向矩阵的计算机语言,内含许多图像分析及处理的函数,在可视化领域具有许多独到的优势。
IDL还提供了图形用户界面(GU I)开发方式,从而能够开发交互式的应用程序,可作为如医学影像系统开发的有力工具。
参考文献:[1] 唐泽圣,等.三位数据场可视化[M].北京:清华大学出版社,1999.[2] 李晓梅,黄朝晖,蔡 勋,等.并行分布式可视化技术及应用[M].北京:国防工业出版社,2001.[3] L orensen W E,Cline H E.M arching Cubes:A H ig hResolut ion3D Surface Construction A lgo rithm[J].Computer&G raphics,1987,21(4):163-169.[4] Rajo n D A,Bo lch W E.M ar ching cube alg or ithm:review and trilinear inter po lat ion adaptatio n fo r imag ebased do simet ric models[J].Comput erized M edical Imaging and Gr aphics2003,27:411-435.[5] M o ntani C,Scateni R,Sco pigno R.Decreasing Isosurface Co mplexity v ia Discr et e Fit ting[J].Co mputer A ided Geomet ric Desig n,2000,17:207-232.[6] M ontani C,Scateni R,Scopig no R.Discretized M arching Cubes[J].IEEE,1994:281-287.[7] 金 盛,夏德森,陈 鸿.IDL语言与图像处理和分析[J].工业控制计算机,1997,(4):6-8.[8] 于志强,杨 杰,胡 英.基于IDL语言的水声声场数据可视化的设计与实现[J].红外与激光工程,2001,30(5):335-338.[9] IDL O nline H elp[Z].R esear ch Systems,Inc.2000作者简介:高蕾娜 (1978-),女,湖北武汉人,华中科技大学硕士研究生,研究方向为科学计算可视化、医学图像处理技术;何建英 (1965-),女,湖北鄂州人,华中科技大学副教授,博士,硕士研究生导师,研究方向为计算机图形学、CAD。
(上接第73页)2.3.2 动态调度由仿真结果可见,如图4所示,动态调度对系统图4 动态调度仿真曲线的负荷有着较好的适应能力,在控制计算机任务较重且优先级不宜确定时,采用此调度策略能获得较好的控制效果;静态调度中固定优先级的设定较为重要,优先级选取的不当容易导致系统性能的恶化。