基于Truetime网络控制系统的仿真.docx
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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
②TruetimeKernel……………………………………………………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
②TruetimeKernel……………………………………………………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：
MATLABTruetime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，NetworkedControlSystem）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，File→SetPath…,弹出“SetPath”窗口，点击“AddFolder...”建立C:
\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\kernel路径，点击左下角的“Save”，再“Close”
4、如果在WindowsXP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Win7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-FileEditor中File菜单下的“SaveWorkspaceAs...”把该文件命名为matlab.mat保存到原目录
7、重新启动MATLAB7.0，在CommandWindow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），Node2（执行器）和Node1（干扰节点）。
可假设u为“冷气”，经过DCServo（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DCServo（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TruetimeNetwork（网络模块）是网络控制系统（NCS）的通信网络。
网络参数：
Networknumber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）
Numberofnodes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。
Networknumber：
8
Datarate（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。
Networknumber：
80000
Networknumber：
8000
Networknumber：
800
Minimumframesize（bytes）最小帧
若输入的信息小于此帧，那么网络将自动填补（以单纯的高低电平的方式）。
如下图所示，最小帧分别为40、400，当最小帧为400时，控制系统自动填补，信息严重丢包。
Minimumframesize（bytes）：
40
Minimumframesize（bytes）：
400
Lossprobability（0-1）传输过程中的信息丢失率
丢失的信息会占用网络带宽，却不能到达目的地。
Lossprobability（0-1）：
0.2
Lossprobability（0-1）：
0.5
网络模式：
TruetimeNetwork主要支持的六种简单的网络模型：
CSMA/CD（e.g.Ethernet）带有冲突检测的载波监听随机访问
CSMA/AMP（e.g.CAN）带有信息优先级仲裁的载波监听多路访问
RoundRobin（e.g.TokenBus）令牌总线网络
其默认值为
Bandwidthallooations（带宽）——1000
Slotsize（bits）——20
Cyolicschedule——123333
Totalswitchmemory（bit）——10000
Switchbuffertype（缓冲型开关）——commonbuffer（常见的缓冲）
Switchoverflowbehavior（开关溢出行为）——retransmit（传输）
FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）频分多址
可调整Bandwidthallooations（带宽）
TDMA（e.g.TTP）TimeDivisionMultipleAccess时分多址
可调整Slotsize（bits）、Cyolicschedule
SwitchedEthernet
可调整Totalswitchmemory（bit）、Switchbuffertype（缓冲型开关）、Switchoverflowbehavior（开关溢出行为）。
②TruetimeKernel
其全称为实时内核模块，可用作网络节点。
本例中，内核模块被用为传感器（Sensor）Node4、控制器（Controller）Node3、执行器（Aotuator）Node2、干扰节点（Interference）Node1。
其中，传感器、执行器、干扰节点的优先级同为1，控制器的优先级为2。
1、传感器
传感器的主要任务是进行周期性地采样，然后把采样值发送给控制器节点。
进入C:
\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\examples\distributed\matlab，打开sensor_init.m（传感器节点初始化程序）。
简单说明
作用：
初始化传感器节点
ttInitKernel（1,0,'prioFP'）规定模拟输入
（1）与输出（0），以及节点任务的优先级（prio）
%创建传感器节点任务，对传感器节点所用的参数（包括中间数据进行初始化）
offset=0;%offset为偏移量
period=0.010;%period为采样周期
prio=1;
ttCreatePeriodicTask（'sens_task',offset,period,prio,'senscode',data）;%定义节点任务（周期采样）
disp（'Sinit'）;
%初始化网络
ttCreateInterruptHandler（'nw_handler',prio,'msgRcvSensor'）;
ttInitNetwork（
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