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

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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。

简单结构如下图所示：控制器执行器被控对象传感器

u(t)r(t)+

y(t)

e(t)-Truetime 的安装

在MATLAB7.0中安装truetime-1.5工具箱：

1、解压安装包

2、复制粘贴文件夹truetime-1.5至C:\MATLAB7\toolbox \

3、打开MATLAB ，Fil e →Set Path …,弹出“Set Path”窗口，点击“Add Folder...”建立

C:\MATLAB7\toolbox \truetime-1.5\kernel 路径，点击左下角的“Save”，再“Close”

4、如果在Windows XP 中，则进入“控制面版→系统→/高级→环境变量”中添加系统变量及用户变量

“TTKERNEL ”，建立C:\MATLAB7\toolbox \truetime-1.5\kernel 路径；

如果在Win 7中，则进入“控制面版→用户账户和家庭安全→/用户账户→更改我的环境变量”建立C:\MATLAB7\toolbox \truetime-1.5\kernel 路径，同时添加系统变量及用户变量“TTKERNEL ”

5、将C:\MATLAB7\toolbox \local \startsav.m 中添加如下命令

addpath([getenv('TTKERNEL')])

init_truetime;

6、在MATLAB7.0中打开C:\MATLAB7\toolbox \local \matlabrc.m ，并用M-File Editor 中File 菜单下的“Save

Workspace As...”把该文件命名为matlab.mat 保存到原目录

7、重新启动MATLAB7.0，在Command Window窗口下，以命令行的方式输入Truetime，回车，即可看到

Truetime仿真工具箱

注：访问examples 时，应直接在C:\MATLAB7\toolbox \truetime-1.5\examples 下打开。

（若电脑同时安装了多种MATLAB 版本的软件）

有线网络控制系统

一、组成结构

有线网络控制系统中，有传感器节点、控制器节点、执行器节点和干扰节点。组成结构如下图所示：

二、存在的问题

这种系统存在时延、丢包、多包、乱序的问题，这些问题的出现会降低系统的性能，譬如使系统的稳定范围变窄，稳定性变差，严重时甚至使系统失稳。

下面，举一个有线网络系统的仿真实例来说明Truetime-1.5中各个模块的作用以及丢包等问题。

三、分散式有线网络控制系统的仿真实例

这是一个分散式的有线网络控制系统的实例（distributed.mdl）：

简略概述：

该系统包含四个网络节点（皆用Truetime内核模块表示）：Node4（传感器)，Node3（控制器），Node 2（执行器）和Node1（干扰节点）。

可假设u为“冷气”，经过DC Servo(被控对象)的作用后变为y“暖气”，再将信号传给Node4（传感器），将信号传给Network（网络模块），由Node3（控制器）进行离散PID控制算法处理之后，再将信号传给Node2（执行器），反作用于DC Servo(被控对象)。

其中，Node1（干扰节点），它能发送干扰网络通信的模拟信号，并在计算机节点中执行干扰的高优先级任务。传感器节点采用时间（clock→display）驱动的方式对过程进行周期性采样，采样周期为10ms。

下面，对其逐个模块进行分析：

①Network

全称为Truetime Network（网络模块）是网络控制系统（NCS）的通信网络。

网络参数：

Network number网络模块编号

从1算起，无线与有线网络不能使用相同的编号。(juli无线)

Number of nodes网络节点数

决定了模块Snd和Rcv（输入、输出）的大小。若节点数增多，则每个节点所占的带宽必定缩短，导致数据包丢失。

Network number：8

Data rate(bits/s)网络传输速率

其含义是每秒钟传输的二进制数的位数。影响网络传输速率的因素主要有带宽、延迟和丢包。带宽越窄、延迟时间越长、丢包越严重，则传输速率就越低。

如图所示，将传输速率分别改为800、8000、80000，则可以看出，网速越慢，丢包越严重。