信号与系统第7章

7.2.2 Truetime 工具箱的组成
实时内核模块Truetime Kernel Truetime Kernel模块可被用作网络控制系统的网络节点， 如传感器、控制器和执行器等。Truetime Kernel具有灵活的实
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第七章 MATLAB在网络控制系统仿 真中的应用
7.2 Truetime1.5工具箱介绍
7.2.2 Truetime 工具箱的组成
时内核，内嵌A/D、 D/A转换器接口、网络接口（输入输出通 道）、公共资源（CPU、监控器、网络）的调度与监控输出端 口等。Truetime Kernel模块按照用户定义的任务工作，任务执 行取决于内部事件与外部事件的发生。内部事件与外部事件以 中断方式产生，当外部中断和内部中断发生时，用户定义的中 断句柄被调用。执行其中断服务程序。任务和中断柄及其执行 都是有用户编写的代码函数实现。代码的编写可以用MATLAB 或C++语言。 网络模块Truetime Network Truetime Network被用作为NCS的通信网络。Truetime Network提供了多种网络参数和网络模式，如媒体访问控制协
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7.2 Truetime1.5工具箱介绍
7.2.2 Truetime 工具箱的组成
无线网络模块Truetime Wireless Network 该模块提供了无线网络传输信息的功能，目前支持的两种 网络通信协议是IEEE 802.11b/g(WLAN)和IEEE 802.15.4(ZigBee)。 电源模块Truetime Battery 该模块为建立的仿真系统提供电源。
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7.2 Truetime1.5工具箱介绍
7.2.1 Truetime 开发工具历史
TrueTime是瑞典隆德（Lund）大学自动化系（lund institute of technology）的MartinOhlin，Dan Henriksson和Anton Cervin于2002年推出的基于MATLAB/Simulink的网络控制系 统仿真工具箱。该工具箱针对每一特定的网络协议，可以实现 控制系统与实时调度的综合仿真研究，是目前网络控制系统理 想的虚拟仿真工具之一。
7.1.2 网络控制系统的简单结构图
主要有传感器、控制器与执行器组成，其简单结构为：
r(t) + e(t) 控制器 u(t) 执行器 被控对象 y(t)
传感器
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7.1 网络控制系统基本概念
7.1.3 网络控制系统存在的主要问题
网络诱导时延 在网络控制系统中，多个网络节点共享网络信道。由于网 络带宽有限且网络中的数据流量变化不规则，当多个节点通过 网络交换数据时，常常出现数据碰撞、多路径传输、连接中断、 网络拥塞等现象。因而不可避免地出现信息交换时间延迟，这 种由网络引起的信息交换时间延迟称为网络诱导时延。网络诱 导时延是随机的、恒定的、有界的、还是不确定的，取决于通 信网络的类型和采用的通信协议。 时延会降低系统的性能，使系统的稳定范围变窄，甚至使 系统失稳。时延是NCS的分析和设计中不可忽略的重要因素。
7.2.3 Truetime 的用途
Truetime工具箱为网络控制系统(简称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／Simulink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。
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u (k ) = P( k ) + I ( k ) + D( k )
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第七章 MATLAB在网络控制系统仿 真中的应用
7.3 有线网络控制系统的分析与设计实例
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7.1 网络控制系统基本概念
7.1.3 网络控制系统存在的主要问题
多个数据包传输时，由于节点冲突、网络拥塞、连接中断 和多路径传输机制等原因，多个数据包不可能同时到达，这将 增加接收端数据处理时间，从而间接地增加网络诱导时延。节 点单包传输还是多包传输，系统的分析与设计方法将有所不同。 数据包时序错乱 在NCS中，由于数据的多路径传输机制，网络中同一节点 发送到同一目标端的数据包不可能在相同的时间内到达接收端， 因而产生数据包先后顺序的错乱，称为数据包时序错乱。单包 传输时，数据包时序错乱指各个数据包到达接收端的顺序与发 送时的顺序不同。多包传输时，数据包时序错乱指一个完
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7.3 有线网络控制பைடு நூலகம்统的分析与设计实例
7.3.1 有线网络控制系统组成结构
在有线网络控制系统中，主要有传感器节点、控制器节点、执 行器节点、干扰节点，组成结构为：
被控对象 干扰节点 执行器 传感器
有线网络
控制器
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7.3 有线网络控制系统的分析与设计实例
7.3.3 有线网络控制系统的仿真实例
(1). 系统结构图
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7.3 有线网络控制系统的分析与设计实例
7.3.3 有线网络控制系统的仿真实例
7.2 Truetime1.5工具箱介绍
7.2.4 安装truetime工具箱的步骤
设置环境变量TTKERNEL：在windows下，进入“控制面 板”-“系统”-“高级”-“环境变量” 创建一个环境变量，名为 TTKERNEL，值为你的truetime所在目录下的kernel文件，如 D:\Program Files\MATLAB\toolbox\truetime-1.5\kernel； 重启计算机，这个很重要，要是没有重启，将会导致下一步实 现不了； 进入MATLAB环境，在命令窗口下，创建一脚本文件，该脚本 文件将在每次打开Truetime模块库之前，先运行之。文件内容 要设置Truetime内核文件的全部必要的路径，即： addpath(getenv('TTKERNEL')) init_truetime;
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7.2 Truetime1.5工具箱介绍
7.2.2 Truetime 工具箱的组成
议、网络节点数目、传输速率、数据丢失率等。其中，网络模 式与媒体访问控制协议有：CSMA/CD(带有冲突检测的载波监 听随机访问，e.g. Ethernet)、CSMA/AMP(带有信息优先级仲 裁的载波监听多路访问，e.g. CAN)、Round Robin(e.g. Token Bus，令牌总线网络)、 FDMA（频分多路复用）、 TDMA（时分多路复用）、Switched Ethernet。网络模块采用 时间驱动方式，当有消息进出网络时，网络模块启动工作， Truetime中预定义了多种任务调度策略供仿真选择，例如，固 定优先级（Fixed Priority）、单调速率（Rate Monotonic）、 截止期单调（DM，Deadline Monotonic）、最小截止期优先 （EDF，Earliest Deadline First）等。
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7.1 网络控制系统基本概念
7.1.3 网络控制系统存在的主要问题
整的数据被封装成多个数据包传输，这多个数据包到达接收端 的顺序与发送时的顺序不同。节点冲突、网络拥塞、连接中断 和多路径传输机制等因素，是造成数据包时序错乱的主要原因。 时序错乱的结果将导致数据传输率降低，间接地增加网络诱导 时延。 数据包丢失 在采用串行通信方式的NCS中，当传感器、控制器和执行 器利用网络传输数据和控制信息时，不可避免地出现数据包丢 失。数据包丢失有两种情况：
在此仿真实例(TrueTime1.5说明书)中： 1000 被控对象为 G (s) = 2 ； s +s 传感器节点采用时间驱动的方式对过程进行周期性采样，采样 周期为10 ms； 控制器采用离散PID控制算法： P (k ) = K (r (k ) − y (k )) Kh I (k + 1) = I (k ) + (r (k ) − y (k )) Ti D (k ) = α d D (k − 1) + bd ( y (k ) − y ( k − 1))
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7.1 网络控制系统基本概念
7.1.3 网络控制系统存在的主要问题
单包传输和多包传输 在NCS中，数据是封装成一定大小的数据包进行传输的。 单包传输是指NCS中传感器或者控制器等待传输的单位信息被 封装成一个数据包进行传输。多包传输是指NCS中传感器或者 控制器等待传输的单位信息被封装成多个数据包进行传输。系 统采用单包传输或多包传输，取决于网络节点的各传感器所处 的地理位置或等待传输的数据包容量。当传感器节点的各个传 感器位于较远的地理位置或等待传输的数据超过控制网络数据 包的容量时，待传输数据必须封装成多个数据包传输。
MATLAB在电气信息类专 业中的应用
MATLAB在电气信息类专业中的应用
第七章 MATLAB在网络控制系统仿 真中的应用
第七章 MATLAB在网络控制系统仿 真中的应用
7.1 网络控制系统基本概念
7.1.1 网络控制系统的定义
网络控制系统（NCS，Networked Control System）是指传感 器、控制器和执行器机构通过通信网络形成的实时闭环的控制 系统。
7.3 有线网络控制系统的分析与设计实例
7.3.2 有线网络控制系统中存在的问题
有线网络控制系统中主要存在时延、丢包、多包、乱序等问题， 这些问题的出现在一定程度上会降低系统的性能，使系统的稳 定范围变窄，严重时甚至使系统失稳。
7.3.3 有线网络控制系统的仿真实例
(1). 系统结构图 打开名为distributed的文件夹，双击名为distributed1.mdl的仿 真模型，即可看到系统的结构图。系统中包含了四个计算机节 点：节点4传感器，节点3控制器，节点2执行器和节点1干扰 节点，各节点用TrueTime内核模块来表示。
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7.2 Truetime1.5工具箱介绍
7.2.4 安装truetime工具箱的步骤
启动MATLAB后，第一次运行Truetime前，必须为Truetime命 令编译Truetime模块和MEX-funtion。在MATLAB提示符下键 入make_truetime 输入truetime ，即可打开truetime仿真工具箱。
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第七章 MATLAB在网络控制系统仿 真中的应用
7.1 网络控制系统基本概念
7.1.4 常用的仿真网络控制系统的软件
目前广泛使用的网络控制系统仿真软件，主要包含网络控制系 统仿真工具箱TrueTime，网络传送特性仿真工具NS2，还有 网络控制仿真包NCS-Simu和OPNET等。
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7.1 网络控制系统基本概念
7.1.3 网络控制系统存在的主要问题
一种是因为传输通道为系统中各节点所共享，并且网络带 宽为有限，在某一时间能够与控制器存取数据的传感器和执行 器数目是有限的。当负载较大时，数据碰撞、网络拥塞和节点 失败经常发生，数据碰撞和节点失败将造成数据包丢失。尽管 大多数通信协议有重发机制，但都重发在一定时间内未到达的 数据包。超过一定时间未到达的数据包将被丢弃。另一种是在 实时控制系统中，往往是将一定时间未到达的数据包主动丢弃 掉，接着发送新数据，以保证信号的及时更新和采样数据的有 效性。 一个稳定运行的NCS容许有一定数量的数据包丢失，但是 数据包丢失率超过一定值时将使系统失稳。