[发明专利]基于TrueTime的网络控制系统设计

说明书

技术领域

本发明属于网络控制系统领域。

背景技术

网络控制系统(network control system, NCS)本质上属于一种分布式的实时反馈控制系统，其主要组成部分可以分为四大块：分别是传感器、执行器、控制器和被控对象，他们通过网络相互连接，虽然不在同一地理位置，却可以相互通信。当数据信息在控制器、传感器以及执行器之间进行传输时一般是以通信网络为载体的，网络代替了传统的线路，从而在控制被控单元的时候就可以远距离操控，从这个角度上来理解，网络控制系统是一种可以达到远距离的控制或监控一些对象如生产线等的控制系统，在这个控制过程中，借助的是无线网、因特网等网络的功能。根据网络结构嵌入在回路中的不同，网络控制系统也有广义狭义之分，这里所指的狭义的网络控制系统，通常采用的是现场总线和工业以太网等局域网，而广义的网络控制系统中通常采用的是通用计算机网络如Internet等广义网。两者虽然采用的网络不同，但是两者的控制结构是相似的。本发明具有操作简便，方便研究采样周期，网络时延，丢包率以及系统扰动等对NCS性能的影响。这对网络控制系统的发展具有一定的研究价值和现实意义。

发明内容

本发明目的在于设计出一个基于TrueTime的网络控制系统，来研究采样周期，网络时延，丢包率以及系统扰动对NCS性能的影响。这对网络控制系统的进一步研究打下了基础。

本发明的操作方案。

首先进行仿真参考的设置：网络的通信模块采用CSMA/AMP方式，最小数据帧设定为5bytes，数据传输速度为80kb/s，不存在外部的系统扰动，也没有系统数据的丢失，固定优先级prioFP这一调度策略应用于各个节点，采样的周期选取10ms，传感器与控制器之间的时延τ_sc=0.4ms，控制器的计算时间τ_c=0.5ms，控制器与执行器之间的时延τ_ca=0.5ms。然后对采样周期，网络时延，丢包率以及系统扰动分别进行仿真研究。

针对采样周期对NCS性能的作用：采样周期选取10ms（h=10）时的曲线作为控制系统仿真的参考线；如果采样周期过长（采样周期设置为20ms，通过修改采样周期h=20），会导致系统的稳定性能变差；当采样周期过短时（采样周期设置为2.5ms，通过修改采样周期h=2.5），会增加网络的负载，使数据包丢失，进而影响系统的稳定性。

针对时延对NCS性能的作用：时延对NCS性能的影响很大，它能够降低整个系统的稳定性。此仿真的参考线为：τ =1.4ms（τ_sc=0.4ms，τ_c =τ_ca=0.5ms）。短时延的仿真曲线为：τ=9ms（τ_sc=τ_c=τ_ca=3ms）。长时延的仿真曲线为：τ=13ms（τ_sc =τ_c =4ms，τ_ca =5ms）。从仿真中能够看到，在一定时延范围内，系统能够保持稳定。而在长时延的情况下，系统的不稳定性增加，甚至失稳。

针对丢包率对NCS性能的作用：在一定程度上，一定量的数据丢包率不会影响一个 NCS 的整体稳定，但如果信息数据的丢失超过了某个范围，将会使系统承受不了，进而影响网络系统的性能，乃至使系统不稳定。丢包率通过 NETWORK 模块中的参数进行设置。

针对系统扰动对NCS性能的作用：干扰节点的作用是通过在传输网络上输入干扰信号，来控制网络负载。在本发明中，可以通过修改系统扰动模块的相关参数（即修改参数Bwshare的数值）来对扰动信号进行调整，并仿真得出系统扰动越大，对网络控制系统的稳定性影响越大，超过一定范围，还会使网络控制系统失稳。

附图说明

图1为本发明的有关基于TrueTime的网络控制系统设计的网络控制系统仿真模型图。

基于TrueTime的网络控制系统设计的运行步骤为：