《工业控制计算机｝２０１２年第２５卷第２期 基于ｔｒｕｅｔｉｍｅ的网络控制系统时延分析与仿真 Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｌａｙ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｔｒｕｅｔｉｍｅ 周 海 恒庆海 刘 茵 （北京信息科技大学自动化学院，北京１００１９２） 摘要 在分析了网络控制系统结构，研究了产生传输时延的原因并分析了网络控制系统传输时延的具体组成。利用了基于 ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的ｔｒｕｅｔｉｍｅ网络控制系统仿真工具，构建了一个以直流电机为控制对象的网络控制系统时延仿真模 型，讨论了在无传输昧延与有传输时延下，网络时延对控制系统性能的影响。 关键词：网络控制系统，网络传输，时延，ｔｒｕｅｔｉｍｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｌａｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎ— ｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｕｓｅｄ ｔｒｕｅｔｉｍｅ ｔｏｏｌｂｏｘ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ａ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｂｊｅｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｄｅｌａｙ． 、 Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｄｅｌａｙ，ｔｒｕｅｔｉｍｅ ｔｏｏｌｂｏｘ 目前，对网络控制系统时延的分析是当前控制理论的研究． 的。但是，在实际的计算机控制系统中，信号流的传递过程却没 热点之一［１］。网络时延受很多因素影响，它和网络的传输速率、 有那么理想：在网络控制系统中，当传感器、执行器和控制器等 多个节点通过网络交换数据时，由于网络带宽有限且网络中的 网络所采用的通讯协议、网络的负载等因素都有关系。如果要对 各种因素进行综合研究，这对研究、分析和设计网络控制系统提 数据流量便花布规则，不可避免的会造成数据碰撞、多路传输、 连接中断和网络拥塞等现象，因此出现信息交换时间延迟。同 时，控制系统各个节点在量化、编／解码等数据处理过程中也会 导致时间延迟。这种由于网络的介入而使控制系统的信息传输 产生的时延，称为网络诱导时延或网络时延。网络时延会造成系 出了一新的挑战，因此网络控制系统的研究工具显得尤其重要。目 前有许多网络控制系统的仿真工具，而对于网络控制系统时延 方面的研究，ＴｒｕｅＴｉｍｅ是较为理想的仿真工具。 １ 网络控制系统及其网络时延 所谓网络控制系统（ＮＣＳ，Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）， 统控制品质降低、性能恶化，甚至导致系统的不稳定，对快速系 统影响更大［２。３］。网络时延是网络控制系统分析和设计中不可忽 略的重要因素。 网络时延主要是由以下４个原因组成： １）数据包排队等待时延。当网络忙或发生数据包碰撞时，等 又称网络化控制系统，是指通过串行通信网络实现闭环控制回 路的控制系统。网络控制系统一般由三部分组成：控制器、被控 对象以及通信网络。被控对象一般为连续系统，而控制器一般采 用离散系统。被控对象的输出通过传感器采样的方式离散化并 通过通信网络发送到控制器的输入端。控制器进行运算后，将输 出通过网络发送到被控对象的输入端，并由零阶保持器生成分 段连续函数作为连续系统地输入。在网络控制系统中，处于工业 现场的检测、控制和操作设备都具备串行数字通信接口，直接与 数字通信网络相连接。所有设备共享一个信号传输通道，能够实 待网络空闲在发送所用的等待时间。 ２）信息产生时延。发送端待发送信息封装成数据包并进入 排队队列所需时间。 ３）传输时延。数据包在实际传输介质上传输所需时间，其大 小取决于数据包的大小、网络带宽和传输距离。 ４）数据处理、计算时延。节点在采样、量化、编／解码和计算 等数据处理过程中所需的时间。 针对图１的网络控制系统结构分析系统的具体时延组成。 现设备间的数据通信、资源共享和相互协作。网络控制系统结构 如图１所示。 从传感器采集被控对象测量数据到执行控制信号这一过程中， 网络控制系统的时延应由以下组成部分，其分布如图２： １）传感器节点采集数据、处理数据所花费时间。 ２）传感器节点竞争发送权等待的时间和传感器数据在网络 网络 中的传输时间。 ３）控制器节点计算控制量、处理数据所花费的时间。 ４）控制器节点竞争发送权等待的时间和控制量在网络中的 图１ 网络控制系统结构 传输时间。 ５）执行器节点处理数据所花费的时间。 般的网络控制系统中，控制回路中的信息是按照传感器一 控制器一执行器的顺序传递的，从传感器采样到执行器施加作用 一其中，在传输过程中，各节点采集、计算、处理数据所花费的 时间称为设备时延。若采用的控制器的处理器速度足够的快，可 于对象的整个过程构成了控制系统的一次信号流传递。在理想 的采样控制系统中，往往假设这个信号流传递过程是瞬时完成 将其视为常数甚至可以忽略不计。节点在竞争发送权等待的时间 基于ｔｒｕｅｔｉｍｅ的网络控制系统时延分析与仿真 ｆ Ｌ— ｕ带■ Ｌ ． ． Ｉ 厂 图２网络控制系统时延结构图 Ｉ《 Ｏｌｏｅｚ——三 — ｛ ＮＯｄｅ ２ ｆｍｄｕ｜ｔ００ ●＿＿＿＿—— 蘸 《 ｃ 啊 一 ＿豪 —— 和数据包在网络传输的时间称为通信时延，这取决于网络自身的 Ｊｒ ｌ 特点，如采用的通信协议，数据传输的速率和数据包长度等［“］。通 常，为了研究方便，将设备时延和通信时延合并考虑，标记为传 感器一控制器时延Ｔ： （时延组成的１）和２））和控制器一执行器 ‘ Ｎ０ｄｅ ３ 。 豳圈 ｆ １ｌ 时延ｆ： （时延组成的４）和５））。这样，网络控制系统的时延主要 由三部分组成。 ｓｃ Ｃ ｃａ 邺ＤＩ ｌ Ｍ＞＿＋－ ＝ Ｉ ＞＿ ｌ＿＋ｌ ． 一＿’口 图３网络控制系统ｔｒｕｅｔｉｍｅ模型 １ｋ ｋ Ｍｋ托ｋ 这里ｔ为控制器的计算时延（时延组成的３）），与传感器一控 制器时延和控制器一执行器时延相比，它的数值和变化都很小。在 网络控制系统设计时，通过选择合适的硬件和进行高效率的软件 编码，可以使计算时延产生的影响减少到相当小的程度［６］。因而， 在分析设计网络控制系统时，可以把计算时延 包含在 中，即： ８Ｃ ∞ Ｔｋ＝Ｔｋ＋Ｔ ２基于ｔｒｕｅｔｉｍｅ的网络时延仿真 ２．１ ＴｒｕｅＴｉｍｅ工具箱 ＴｒｕｅＴｉｍｅ是瑞典德隆大学（ＬＵＮＤ）自动化学院的Ｍａｒｔｉｎ ０ｈｌｉｎ，Ｄａｎ Ｈｅｎｒｉｋｓｓｏｎ和Ａｎｔｏｎ Ｃｅｒｖｉｎ推出的针对网络控制 系统的仿真工具箱。它基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ可以实现对不同 网络协议下控制系统与实时调度的综合仿真研究。 ＴｒｕｅＴｉｍｅ工具箱包括四个功能模块：实时内核模块（Ｔｒｕｅ－ 图４无传输时延的控制系统曲线 号能基本跟踪输入信号，具有较好的稳定性，整体控制性能较好。 假定在网络传输工程中传输时延为０．００４，即传感器一控制 Ｔｉｍｅ Ｋｅｒｎｅ１）、网络通信模块（ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、电池模块 （ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｂａｔｔｅｒｙ）和无线网络模块（ＴｍｅＴｉｍｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔ— 器时延Ｔ：。、控制器一执行器时延ｆＣ 和控制器的计算时延Ｔ：的和 Ｔ 为０．００４时，控制系统曲线如图５： ｗｏｒｋ）。利用ＴｒｕｅＴｉｍｅ工具箱可以对不同通信模式下的系统，进 行不同不确定因素对系统控制性能影响的研究。 ２．２网络控制系统时延仿真的设计 直流电机在工业控制领域是很常见的一种驱动设备。直流 电机的优点是响应速度很快，时间常数较小，对于控制回路中的 时延比较敏感，这可以很好地展示网络传输中产生的时延对控 制性能的影响。因此，直流电机可以作为研究ＮＣＳ的有关问题 的很好的被控对象。 基于图２网络控制系统时延结构图，用ＴｒｕｅＴｉｍｅ工具箱中 的四个ＴｒｕｅＴｉｍｅ Ｋｅｒｎｅｌ模块，通过ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ作出网 络控制系统ｔｒｕｅｔｉｍｅ模型如图３。图中，电机传递函数表示为 ＿Ｕ，直流电动机的控制是通过网络模块来实现，采用根据优 ＋３ｓ 图５时延为０．００４时的控制系统曲线 先权决定信息传输顺序的ＣＡＮ网络协议，调度策略采用固定优 先级，控制器采用ＰＩＤ控制算法，其参数为：Ｋ＝１．４，Ｋ。＝１０００００， Ｋ ＝０．０３３，传感器采用时钟驱动，控制器和执行器采用事件驱 动，干扰结点（Ｎｏｄｅ１）产生阻碍网络。 由图５可知，增大网络时延时，震荡加剧，控制系统性能降低。 随着时延进一步变大，控制系统性能将进一步恶化。由此可知，当 时延剧烈变化时，必须要改变ＰＩＤ控制参数或者应用鲁棒控制、自 适应控制、智能控制等高级控制方法满足系统控制性能指标。 ３结束语 传输的随机干扰信号，规定干扰结点（Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）产生的 信息具有最高优先级别，参与控制的网络节点产生传输时延。 ２．３仿真结果 网络控制系统以网络作为系统中信息交换的通信媒体，为 系统中所有的传感器、执行器和控制器所共享。采用实时网络来 构成反馈控制系统，虽然具有很多优点，但同时也带来很多新的 问题。网络传输时延就是其中的首要问题，然而通过ｔｒｕｅｔｉｍｅ工 （下转第３５页） 假定网络无传输时延，通过设定传输时延值为０，得网络控 制系统的曲线如图４。 由图４可知，在无传输时延情况下，除有小幅波动外，输出信 《工业控制计算机）２０１２年第２５卷第２期 冲区中。ＶＢ１０００，ＶＢ１００１对应Ｍｏｄｂｕｓ寄存器４０００１，其中， ３．５系统调试 ＶＢ１０００为高位字节，ＶＢ１００１为低位字节，寄存器４０００２－ ４０００６的物理地址占用情况以此类推。 ３．４冗余服务器设备驱动及变量配置 建立起通讯服务器与Ｓ７—２００ ＰＬＣ之间的通讯连接后， 完成上述三项配置工作后，就建立了以ＴＣＳ一３０００ ＤＣＳ 现场通讯站串口５设备为主站，Ｓ７—２００ ＰＬＣ为从站的Ｍｏｄ— ｂｕｓ串行通讯网络。当操作员站上的人机界面软件进入运行环 境后就可以采集到“塔池排污瞬时流量”、“塔池排污累积流量”和 “塔池液位”等参数，需要说明的有两点： １）变量地址对齐问题。由于Ｓ７—２００ ＰＬＣ内变量地址对齐 采用大端对齐方式，而ＤＣＳ通讯服务器变量地址对齐采用小端 对齐方式，因此，在ＰＬＣ内部编写程序向通讯缓冲区赋值之前， Ｓ７—２００ ＰＬＣ中的相关数据已可传输至通讯服务器，操作员站 要引用这些变量时，还必须在冗余服务器上配置设备驱动并定 义变量标签。 在ＴＣＳ一３０００ ＤＣＳ系统中，设备驱动管理是以面向对象 方法中的“类”管理方式进行的，其被抽象为“Ｓｅｒｖｅｒ”、“Ｄｅ． ｖｉｃｅｓ”和“Ｔａｇｓ”等三级对象，设备驱动三级对象之间的关系如 图６所示 Ｉ／Ｏ Ｓｅｒｖｅｒ 应将浮点型数据高低１６位进行调换，保证通讯服务器接收到正 确的数据。 ２）用１６位寄存器正确表示３２位浮点型数据问题。由于“塔 池排污瞬时流量”、“塔池排污累积流量”和“塔池液位”数据均为 （Ｉ／Ｏ服务器） ／ＯＤｅｖｉｃｅ单精度浮点数，在Ｓ７—２００ ＰＬＣ采用ＩＥＥＥ７５４格式［ ，用４字 。，。设各）（。ｌ＿＿ 节表示一个单精度浮点数，而Ｍｏｄｂｕｓ—ＲＴＵ只支持１６位数据 寄存器，必须用连续两个寄存器存储一个浮点数数据，在ＴＣＳ一 ３０００ ＤＣＳ系统中，当把一个浮点数变量与通讯服务器内的 …… ｆ｝ － Ｖ（ａ变叟重杯＿ｒｉ量ａｂ标ｌｅｔ签盘ａｇ） …… Ｍｏｄｂｕｓ寄存器对应时，ＤＣＳ系统自动默认连续取２个Ｍｏｄ． ｂｕｓ寄存器数据赋给浮点数变量。 ４结束语 ／０ＤｅｖｉｃｅＩ，ｏ设备）（ Ｖａｒｉａｂｌｅｔａｇ。 （变量标签）机组ＤＣＳ系统投产运行后，经常会出现需将第三方设备以 串行通讯方式接入ＤＣＳ系统的改造应用。本文以国电南京自动 化股份有限公司生产的ＴＣＳ一３０００ ＤＣＳ系统为基础，详细分 析了ＤＣＳ控制系统与第三方设备之间通讯接口扩展的基本方 图６ ＴＣＳ一３０００系统设备驱动三级对象关系示意图 其中，一个“ｌ／Ｏ Ｓｅｒｖｅｒ”对象可以对应多个“ｌ／０ Ｄｅｖｉｃｅｓ” 对象，一个“ｌ／Ｏ Ｄｅｖｉｃｅｓ”对象可以对应多个“Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔａｇｓ” 对象。 法，解决了ＤＣＳ系统以串行通讯方式可靠读取ＰＬＣ等第三方 设备数据的应用难题。 参考文献 ［１］朱亚清．新华ＸＤＰＳ ＤＣＳ与Ｏｖａｔｉｏｎ ＤＥＨ通信的实现［Ｊ］．中国电 力，２００８，４１（１ １）：５８—６１ 在定义设备驱动时，首先要定义的是“Ｉ／Ｏ Ｓｅｒｖｅｒ”对象，其 定义较为简单，在确定“ｌ／Ｏ Ｓｅｒｖｅｒ”对象的名称后，系统生成“ｌ／ Ｏ Ｓｅｒｖｅｒ”对象；之后，需定义“Ｉ／Ｏ Ｄｅｖｉｃｅｓ”对象，“Ｉ／Ｏ Ｄｅ． ｖｉｃｅｓ”对象主要是选择设备驱动方式和协议，根据所连接的设 备可以选择Ｍｏｄｂｕｓ、Ｍｏｄｂｕｓ／ＴＣＰ和ＯＰＣ等方式，由于需与 现场通讯站的通讯服务器通讯，驱动方式选择专用ＭＯＤＮＥＴ ［２］李桢．ＤＣＳ与ＰＬＣ的Ｍｏｄｂｕｓ协议通信在石油化工厂的应用［Ｊ］．计 算机应用与软件，２００９，２６（４）：１８５—１８７ ［３］张爱良．基于ＩＥＥＥ一７５４变异型浮点数数制转换的程序设计［Ｊ］．重 庆文理学院学报，２００７，２６（６）：７３—７４ ［收稿日期：２０１１．１１．１１］ 通讯协议；最后，定义“Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｔａｇｓ”，即变量标签，冗余服务 器通过解析通讯服务器来的ＭＯＤＮＥＴ响应报文，将报文中的 寄存器数值赋值给定义的变量标签。 （上接第３Ｏ页） ［３］何坚强，张焕春，经亚枝．基于ＭＡＴＬＡＢ环境的网络控制系统仿真平 具箱可以简易方便地研究网络时延对控制系统性能的影响，这对 台［Ｊ］．计算机工程与应用，２００５（２）：１４２—１４５ ［４］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 进一步研究网络控制系统提供了一个很好的实时的仿真平台。 参考文献 ［１］ＺｈａｎｇＬｅｉ，Ｄｉｍｉｔｒｉｏｓ Ｈｒｉｓｔｕ Ｖａｒｓａｋｅｌｉｓ．Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎ— ［５］张湘，肖建．网络控制系统的ＴｒｕｅＴｉｍｅ分析与仿真［Ｊ］．兰州交通大 学学报，２０１０．６ ｔｒｏｌ Ｃｏ－ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏａｍｔ— ［６］刘景军，刘晓文，胡萍．实时多任务控制系统的ＴｕｒｅＴｉｍｅ建模与仿真 ［Ｊ］．系统工程与电子技术，２００７，２９（１２） ［收稿日期：２０１１．１０．２６］ ｃｉａ，２００６。４２（６）：９５３—９５８ ［２］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）：３７１—３７９ （上接第３３页） 参考文献 ［１］远坂俊昭．锁相环（ＰＬＬ）电路设计与应用［Ｍ］．何希才，译．北京：科学 出版社，２００６ ４结束语 测得相位噪声为一８７ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００ｋＨｚ，与仿真结果一致， 达到了基本标准。同时通过ＦＰＧＡ控制ＡＤＦ４３６０—３的寄存器 ［２］Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．Ｉｎｔｅｇｒ￣ｅｄ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ ａｎｄ ＶＣＯ 码表，可以方便地进行频率设置，可广泛应用于射频电路系统以 及无线通信系统中。 ＡＤＦ４３６０—３ Ｄａｔａ Ｓｈｅｅｔ【ＥＢ／，０ Ｌ】ｌＵＳＡ：Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．２００４ ［３］李青，王家礼．基于ＡＤＦ４１１３的本振源设计［Ｊ］．现代电子技术， ２００７，３０（３）：９０—９２ ［收稿日期：２０１１．１２．２３］