基于TrueTime工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的.pdf

《基于TrueTime工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于TrueTime工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、?第 25卷第 1期上海电力学院学报V o.l 25,No.1?2009年 2月Journal?o f?Shanghai?Univ ersity?o f?E lectric?Pow erFeb.?2009?文章编号:1006-4729(2009)01-0023-05基于 TrueTi me工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的应用?收稿日期:2008-08-27(特约稿)作者简介:程启明(1965-),男,教授,硕士生导师,江苏盐城人.主要研究方向为智能控制、电厂自动化等.E?mai:lchengqi m ing .基金项目:上海市教委重点科研项目(06ZZ69);上海市教委重点学科建设项目(

2、J51301);上海市电站自动化技术重点实验室资助项目.程启明,郭瑞青,杜许峰,夏?征(上海电力学院 电力与自动化工程学院,上海?200090)摘?要:在引出了网络控制系统概念的基础上,分析了网络控制系统的特性及存在的问题,介绍了 NCS的仿真工具箱 TrueT i me的组成、功能.以直流电机为对象,建立了一个基于 TrueT i me的 NCS仿真模型,并进行了控制仿真分析.关键词:网络控制系统;TrueT i me工具箱;网络时延;网络调度;实时控制;直流电机中图分类号:TP273?文献标识码:ATheNet work Control System Based on TrueTi me

3、Toolboxand ItsApplication in DCM otorControlCHENG Qi?m ing,GUO Rui?qing,DU Xu?feng,XI A Zheng(School of ElectricPower&Automation Engineering,ShanghaiUniversityof ElectricPower,Shanghai?200090,China)Abstract:?The concept of NCS is introduced,the characters and the disadvantages of NCS areanalyzed,and

4、 the components and functions of TrueT i me toolbox for NCS si mulation are alsointroduced;then,theNCS si mulationmodel ofDC motorbased on TrueT i me is buil,t and finally thecontrol si mulation on this platfor m is discussed.Key words:?network control system;TrueT i m e toolbox;net work ti me?delay

5、;net work scheduling;real?ti me contro;l DC motor?近年来,计算机网络技术的飞速发展,引发了控制技术的深刻变革及其相应控制新理论的产生.通过网络形成闭环的反馈控制系统被称为网络控制系统(Network Control Sytem,NCS)1?5,NCS的理论是 20世纪 90年代中后期发展起来的新兴控制理论,它已成为当前自动控制技术发展的热点之一.NCS具有系统连线少、扩展方便、诊断维护简单、灵活性高、可实现资源共享及远程控制等优点,现已广泛地应用于自动化制造工厂、电厂、机器人、航天航空器和电气化运输工具等许多复杂的工业过程中.TrueT i m

6、e软件包为 NCS理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段,摆脱了软件编程实现特定的网络通讯协议和通信延时所带来的困难,支持控制与实时调度同时仿真,可以方便地仿真实时系统中的控制和资源调度问题.本文介绍了 NCS系统及 TrueT i me软件包,并讨论利用基于 M atlab/Si mulink的 T rueT i me工具包构建直流电机网络控制系统的仿真平台.1?网络控制系统图 1为传统控制系统的结构框图.它是点对点连接的控制系统,采用专线连接控制器和被控对象.图 1?传统控制系统的结构而 NCS的传感器、控制器、执行器等都通过共同的通讯介质如总线相连,各部分之间可以实现点对点的对等通

7、讯.由于控制网络是一种彻底的分布式控制结构,因此具有系统少、可靠性高、易于扩展以及信息源共享等特点.NCS可分为远程和局域两种,其中远程 NCS主要用于实现遥操作、遥医学、远程教学和试验等,而局域 NCS则应用于网络家电、蓝牙技术、办公系统和计算机集成制造系统等.?图 2为 NCS的总体结构.图 2?网络控制系统的总体结构?由图 2可知,NCS是许多控制器和被控对象组成的控制系统集合,它们通过网络连接,控制回路可能有几条,每条回路都可能影响其他的控制回路,传感器、控制器和执行器可以散布到网络各处,以便对某些大型过程进行控制.在 NCS中,每一个直接与网络连接的系统部件称为节点,每个节点可以根据

8、需要和自身的硬件配置执行多个不同任务.监控计算机通过网络接收现场控制层的数据,执行优化算法,并通过网络将优化后的参数下载到现场控制层的相关节点中.图 3为图 2中一对控制器和被控对象的闭环系统结构,控制回路中测量信号和控制信号都通过网络来收发信号,由此产生两种网络延时.图 3?一对控制器和被控制对象的闭环系统结构NCS主要研究如何实现对控制系统进行实时可靠的网络控制,而网络自身特点造成了 NCS的复杂性 6-9.NCS的主要特点如下.(1)控制系统所有的设备通过网络实现数据的通讯,系统内部的所有控制设备都应具有网络通讯能力,控制系统通过通讯网络形成闭环.(2)网络通讯介质必须是共享和开放的.网

9、络不但可以被控制系统内部的智能控制节点访问,而且可以满足控制回路外部其他设备的通讯需求.(3)网络上多用户共享通信线路且流量变化不规则;传输数据流经众多计算机和通信设备且路径不是唯一的;数据单元在传输中由于网络阻塞、连接中断等原因会导致时序错乱、数据包丢失.因此,NCS中的数据传输必然存在时延、丢包、多包传输和网络调度等问题,系统设计必须考虑并解决由此产生的网络带宽和实时性问题.由于网络中信息流存在非线性动力学特性,网络作为闭环反馈控制的一部分和非线性被控对象组成的闭环系统是一个时延变化或不确定的复杂非线性系统.NCS设计的主要目标是有效地利用有限的总线能力,协调控制算法与资源调度的密切关系,

10、以维持良好的闭环系统性能.在 NCS中以数据包的形式将检测信号和控制信号发送出去,传感器通常是以时间驱动的方式周期性地将检测信号数据包发送给控制器,控制器和执行器则可以是事件驱动的,也可以是时间驱动的.在事件驱动方式下,当一个数据包到达控制器时,控制器才计算一个新的控制量,此时执行器也是事件驱动的,是在一个控制量数据包到达时触发动作而执行;控制器和执行器也可以都24上?海?电?力?学?院?学?报?2009年是时间驱动的,此时两者都以定常时间间隔方式计算或执行最新接收到的数据包信息.2?TrueTi me工具箱网络的性能测量及评估是 NCS能够应用到实际环境中不可缺少的一环.仿真研究是网络化控制

11、系统理论研究的一个重要内容.网络仿真是利用相关的软件技术,构造网络拓扑、实现网络协议、测评网络性能的网络虚拟技术,它包括网络拓扑仿真、协议仿真和通信流量仿真.目前主要的网络仿真软件有以下 3种 10.(1)TrueT i me?是由瑞典 Lund工学院 DanHenriksson和 Anton Cervin等 1999年研制出的软件包,它为 NCS理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段,能与 M atlab/Si mulink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.(2)NS2?是由美国加州大学的 LNBL 网络研究组于 1989年开发的一个网络仿真软

12、件,具有良好的开放性和扩展性.利用它可以构造各种网络拓扑结构,实现网络协议,测试网络性能,也可以实现新协议和算法的扩充及验证.(3)NCS?Si mu?是由英国 Sussex大学开发的网络控制仿真软件包,主要适用在网络统计特征已知的情况下对网络控制性能进行分析仿真研究.另外,还有 STRESS,DRTSS,JitterBug,Glo Mo?Si m,BONeS,COMNET?,SSFNe,t OPNET 等仿真软件.本文仅介绍 TrueT i me仿真工具箱.T rueT i me可以构建分布式实时控制系统的动态过程、控制任务执行及网络交互的联合仿真环境,可以研究各种调度策略和网络协议对控制系

13、统性能的影响.它的主要功能有:研究因强占或者传输延时等时间不定性对控制性能的影响;设计时变系统的控制器,并进行系统补偿;进行灵活的动态调度方法仿真实验;用于仿真事件驱动的控制系统等方面的研究;进行基于多网络平台下的系统仿真.TrueT i m e仿真软件包的优点如下.(1)由于该仿真软件中的计算机模块和网络模块具有通用性,在构建各个处理单元时只需要选用其相应的接口功能进行连接即可,大大加快了仿真控制系统模型的建立速度.(2)可以比较方便模拟各种实时调度策略,通过示波器,可以很方便地观察各个任务的调度情况和对象的输出情况.(3)在网络模块中,可以很方便地模拟数据传输率、包的大小和丢包率等参数,有

14、利于分析各类参数对 NCS的性能影响.图 4 为 T rueT i me 工 具 箱 的 模 块 界 面.TrueT i m e工具箱主要由实时内核模块(T rueT i meKemel)、有线网络模块(TrueT i me Network)、无线网络模块(TrueT i meW ireless Network)和电池模块(T rueT i me Battery)等 4个模块组成.T rueT i me中的模块与 Si mulink中的模块相连,就可以构建相应的 NCS.图 4?TrueT i me工具箱模块界面(1)实时内核模块?或称计算机模块,可作为网络控制系统的各网络节点使用,具有灵活的

15、实时内核、A/D和 D/A转换器接口、网络发送和接收接口、外部中断通道以及多任务调度和监控输出接口,调度器与监控器的输出用于显示仿真过程中公共资源(CPU,以及监控器、网络)的分配情况.内核模块可以按照用户定义的任务执行,它支持固定优先级(prioFP)、单调速率(prioRM)、截止时间单 调(prioDM)和 最早截 止时 间优 先(prioEDF)等 4种任务调度算法.任务执行取决于内部事件与外部事件,且以中断方式产生.外部事件与计算机模块的外部中断通道相连,相应的信号改变值时(如信息到达网络)中断被触发.内部事件与定时器相关,当定时器时间到或者任务完成时触发.当外部和内部中断发生时,用

16、户定义的中断句柄被调用去执行中断服务程序.中断句柄工作相似于一个任务,一个中断句柄被定义为标示符、优先级和代码函数,任务的执行与中断句柄都是由用户编写的 Matlab或 C+语言代码函数实现.25?程启明,等:基于 TrueT i me工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的应用(2)有线网络模块?包括网络输入输出接口、网络调度和监控接口等.当有信息读入或发送时,该模块就采用事件驱动方式执行工作.在仿真环境下,当一条信息的传输完成时,该信息将被存储在目的计算机节点的缓冲区,并以中断的形式通知目的计算机.读入/发送的信息应包含发送和接受节点的信息、用户数据(通常是控制信号或测量信号)、信息总长度、

17、实时特性参数(如优先权、截止时间)等.该模块还可定义节点数、网络速度、媒介访问控制协议和网络时延等参数,按照选定的网络模块模拟数据的接受与发送,支持CS MA/CD(如 Ethernet),CSMA/AMP(如 CAN),Round Robin(如 Token Bus),FDMA,TDMA(如TTP),Sw itched Ethernet等 6种简单的网络协议模型.(3)无线网络模块?其结构与有线网络模块类似,也以事件驱动方式工作.目前主要支持I EEE 802.11b/g(W LAN)和IEEE 802.15.4(Z igBee)两种无线网络协议.(4)TrueT i me Battery电

18、池模块?主要用来为内核模块提供电源功率.它只是一个参数,即初始功率.使用 TrueT i me仿真时,首先要对 NCS中的网络模块和各个节点即计算机模块进行初始化.初始化涉及输入和输出端口的数目、选择优先级函数、定义代码函数、建立线程与中断句柄等.在初始化时,用户要设置各种参数,编写各种 M atlab语言或 C+代码函数实现所需功能,编写代码可通过调用伪码完成,在计算机内核中提供了一组能够被用户调用的实时伪码.当然,TrueT i me仿真软件包也存在一些不足之处.例如,系统功能的实现是在仿真前通过代码完成的,因此,改变系统参数不够直接,操作不够方便;系统仿真中缺少对高层网络协议(如TCP)

19、的仿真,需要对当前的库进行扩展;还要进一步研制硬件模块(如处理器与智能传感器),使得系统功能直接以硬件方式实现.3?在直流电机控制上的应用仿真直流电机是很常见的一种驱动设备,它广泛应用于机器人、数控机床、自动生产线、电动车辆、无人驾驶飞行器等工业控制领域.直流电机的响应速度很快,时间常数较小,对控制回路中的时延比较敏感,可以很好地展示网络产生的时延对控制性能的影响.因此,可选择直流电机作为被控对象来研究 NCS的有关问题 11,12.假设某直流电机的模型传递函数为G(s)=1 000s+s2(1)控制器采用数字 PID控制算法为u(k)=P(k)+I(k)+D(k)P(k)=K r(k)-y(

20、k)I(k)=I(k-1)+K T sTi r(k-1)-y(k-1)D(k)=adD(k-1)+bdy(k-1)-y(k)(2)式中:ad=Td(NTs+Td);bd=NKTd(NTs+Td);r 给定参考信号;y 输出信号;u 控制信号;k 采样时间点;K 比例系数;Ti 积分时间;Td 微分时间;N 微分增益;Ts 采样周期.利用 T rueT i me仿真工具箱中的各个模块,在MATLAB/Si mulink仿真环境下,构建了直流电机网络控制系统仿真模型,如图 5所示.图 5?网络环境下直流电机控制系统?图 5中,直流电动机(DC Servo)的控制是通过网络模块(Net work)来

21、实现的,时间驱动的传感器节点(Node4)周期性地采集信号,并通过网络模块把信号传给控制器节点(Node3),控制器26上?海?电?力?学?院?学?报?2009年节点接收传感器信号,采用 PID控制算法计算出控制信 号并 通过 网络模 块传 给执 行器节 点(Node2),执行器节点接收控制信号并产生相应的动作,干扰结点(Node1)产生阻碍网络传输的随机干扰信号.设置干扰节点的目的是模拟网络中的负载,周期地发送和接收数据,占用网络带宽,参与控制的网络节点产生传输时延.传感器结点为时间驱动型,而控制器结点和执行器结点内的线程则为事件驱动型.采用根据优先权决定信息的传输顺序的 CAN 网络协议(

22、CSMA/AMP),调度策略采用固定优先级(prioFP),数据传输速率 0.1Mbps,规定干扰结点(Interference)产生的信息具有最高优先级别,参考信号(Reference)采用零时刻触发的方波信号.仿真系统可以通过发送时延与接收时延进行传输时延的设定.?图 6为网络无传输时延时的系统仿真曲线.仿真中的参数取值为:Ts=0.001 s,N=100 000,Td=0.035 s,Ti=0.3 s,K=1.5,给定信号为周期=0.5 s,振幅=1.0的方波,时间延时=0 s.图 6?没有时延情况下的系统曲线从图 6可知,输出信号开始虽有小幅超调,但总体上稳定性较好,输出信号基本上能跟

23、踪给定的方波信号.假设传感器到控制器的接收延时、控制器计算时间时延、控制器到执行器的发送时延都为0.001 s,即整个回路的预计时延为 0.003 s.图 7为网络加入 0.003 s时间延时的系统仿真.仿真中的参数取值均不变,仅时间延时=0.003 s.从图 7可知,输出信号超调加剧,震荡加强,稳定性变差,性能降低.随着时延逐步增加,系统的稳定性也将逐步降低,最终变为不稳定的振荡信号.因此,当系统存在时延且时延变化时,必须改变 PI D 控制的控制参数或改用 Sm ith预估控制、内模控制、预测控制、自适应控制、鲁棒控制、智能控制、混合控制等某种更高级的控制方法,以适应网络时延变化需要.此外

24、,还应考虑干扰信号和被控对象本身的变化对系统控制性能的影响.图 7?加入 0.003 s时间延时情况下的系统曲线4?结束语NCS理论是目前国际控制理论界的研究前沿和热点之一,它综合了计算机网络、计算机通信和自动控制等多方面技术.但是 NCS将通信网络引入闭环控制系统中,也带来了时延等一系列新问题.TrueT i me软件工具箱为 NCS理论的仿真研究提供了简易可行、功能齐全的手段,它能够仿真多任务实时控制系统的时间特性,可以用来方便地研究网络调度协议对控制系统性能的影响,实现网络调度与系统控制的结合研究.参考文献:1?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,

25、2007:32?45.2?张庆灵,张雪峰.网络控制系统研究综述与前景展望 J.信息与控制,2007,36(3):364?370.3?黎善斌,王智,张卫东,等.网络控制系统的研究现状与展望 J.信息与控制,2003,32(3):239?243.4?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?379.5?谢林柏,方华京,王华.网络化控制系统的信息调度与稳(下转第 38页)27?程启明,等:基于 TrueT i me工具箱的网络控制系统及其在电机控制上的应用层个数)原则,考虑到一定的裕量,选择隐含层神经元的个数为 10个.神经网络输出层的输出

26、为 kp,ki,kd的参数.因为输出参数 kp,ki,kd均为非负的数值,所以选取激活函数为 g(x)=ex/(ex+e-x).选定各层加权系数的初始权值为(-0.5,0.5)的任意值.选定学习速率为 0.25,惯性系数为 0.5,此时置循环次数 k=1.(2)采样得到 rin(k)和 yout(k),计算该时刻误差 error(k)=ri n(k)-yout(k).(3)计算神经网络各层神经元的输入和输出,NN输出层的输出即为 PID控制器的 3个可调参数 kp,ki,kd.(4)根据增量式数字 PI D的控制算法计算PID控 制 器 的输 出 u(k)=u(k-1)+kp(error(k)

27、-error(k-1)+kierror(k)+kderror(k)-2error(k-1)+error(k-2).(5)进行神经网络学习.取性能指标函数E(k)=1/2 rin(k)-yout(k)2,按照梯度下降法在线调整加权系数,实现 PID控制参数的自适应调整.(6)置 k=k+1,返回到(1).4?结束语本文针对火电机组过热汽温串级系统,研究了单神经元自适应 PID控制器和 BP 神经网络PID控制器,并在 MATLAB中进行了过热汽温控制的编程实现.单神经元结构简单,参数设置较为容易,也能够达到较好的控制效果.另外,神经元比例系数对控制性能有较大影响,学习速率对控制性能的影响不敏感,

28、其仿真结果对控制器性能改善和参数的选择具有指导意义.BP 神经网络PID适应性强,但 BP网络受初始权值、网络结构以及神经网络参数影响较大,而且网络参数的设置基本上依靠经验,所以要想实现较好的控制效果,必须对网络进行调试.本文所提出的控制方法,若加入作为辨识器的 NNI,在无法得知对象的精确模型时,整个控制系统将会有较好的鲁棒性.所以,辨识器 NNI的设计,是今后研究的内容.同时,神经网络 BP 算法易陷入局部极小点,如何更好地解决这个问题,也是今后需要进一步深入研究的课题.参考文献:1?边立秀,周俊霞,赵劲松,等.热工控制系统 M.北京:中国电力出版社,2001:152?193.2?金以慧.

29、过程控制 M.北京:清华大学出版社,1993:1?55.3?NARENDRA K S,PARTHASARATHY K.I dentification andcontrol of dynamic systems using neural net works J.I EEETrans.N eural Net works,1990,(1):4?27.4?袁曾任.人工神经元网络及其应用 M.北京:清华大学出版社,1999:1?25.5?高伟.计算机控制系统:第四册 M.北京:中国电力出版社,2000:276?282.6?马平,朱燕飞,牛征.基于神经网络的主汽温控制系统 J.华北电力大学学报,2001,

30、28(2):52?55.(上接第 27页)?定性研究 J.控制与决策,2004,19(5):589?591.6?ZHANG L Q,SHIY,CHEN T W,et al.A new method forstabilization of net?worked control systemsw ith random delays J.I EEE T ransactions on Automatic Contro,l2005,50(8):1 177?1 181.7?MONTESTRUQUE L A,ANTSAKLIS P.Stability of model?basednetworkedcontr

31、olsystemsw ithti me?varyingtrans m ission ti mes J.I EEE T ransactions on AutomaticContro,l 2004,49(9):1 562?1 572.8?ZH I VOGLYADOV P V,M I DDLETON R H.Net worked controldesign for linear systems J.Automatica,2003,39(4):743?750.9?T I PS UWAN Y,CHOW M Y.Controlmeth?odologies in net?worked control systems J.Control Engineering Practice,2003,11(10):1 099?1 111.10?刘峙飞,王树青.网络控制系统的仿真平台设计 J.仪器仪表学报,2005,26(6):597?600.11?何坚强,张焕春,经亚枝.基于 M atlab环境的网络控制系统仿真平台 J.计算机工程与应用,2005,2(1):142?145.12?刘景军,刘晓文,胡萍.实时多任务控制系统的 TureT i me建模与仿真 J.系统工程与电子技术,2007,29(12):2 140?2 142.38上?海?电?力?学?院?学?报?2009年