基于Truetime网络控制系统的仿真样本.docx
- 文档编号:10525102
- 上传时间:2023-05-26
- 格式:DOCX
- 页数:25
- 大小:542.50KB
基于Truetime网络控制系统的仿真样本.docx
《基于Truetime网络控制系统的仿真样本.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于Truetime网络控制系统的仿真样本.docx(25页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
基于Truetime网络控制系统的仿真样本
海南大学本科生—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网络控制系统仿真
任课教师:
(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
核心词……………………………………………………3
网络控制系统概述……………………………………………………3
Truetime安装……………………………………………………3
(有线网络控制系统)
一、构成构造……………………………………………………3
二、存在问题……………………………………………………4
三、分散式有线网络控制系统仿真实例…………………………………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、构成构造……………………………………………………13
二、存在问题……………………………………………………13
三、无线网络控制系统仿真实例……………………………………14
①Network……………………………………………………15
②TruetimeKernel……………………………………………………17
③被控对象……………………………………………………18
结束语(感想)……………………………………………………19
参照文献……………………………………………………19
摘要:
MATLAB是由美国mathworks公司发布重要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计高科技计算环境。
它重要涉及MATLAB和Simulink仿真两大某些。
随着科学技术迅猛发展,MATLAB在通讯系统设计与仿真中应用也越来越广泛。
而网络控制系统又是电子专业课程极其重要一某些,故掌握好网络控制系统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举例,详细地分析了Truetime工具箱中各个模块功能,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方略问题。
核心词:
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实时闭环控制系统。
简朴构造如下图所示:
Truetime安装
在MATLAB7.0中安装truetime-1.5工具箱:
1、解压安装包
2、复制粘贴文献夹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途径,点击左下角“Save”,再“Close”
4、如果在WindowsXP中,则进入“控制面版→系统→/高档→环境变量”中添加系统变量及顾客变量“TTKERNEL”,建立C:
\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\kernel途径;
如果在Win7中,则进入“控制面版→顾客账户和家庭安全→/顾客账户→更改我环境变量”建立C:
\MATLAB7\toolbox\truetime-1.5\kernel途径,同步添加系统变量及顾客变量“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“SaveWorkspaceAs...”把该文献命名为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。
(若电脑同步安装了各种MATLAB版本软件)
有线网络控制系统
一、构成构造
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。
构成构造如下图所示:
二、存在问题
这种系统存在时延、丢包、多包、乱序问题,这些问题浮现会减少系统性能,譬如使系统稳定范畴变窄,稳定性变差,严重时甚至使系统失稳。
下面,举一种有线网络系统仿真实例来阐明Truetime-1.5中各个模块作用以及丢包等问题。
三、分散式有线网络控制系统仿真实例
这是一种分散式有线网络控制系统实例(distributed.mdl):
简略概述:
该系统包括四个网络节点(皆用Truetime内核模块表达):
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”,通过DCServo(被控对象)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控制算法解决之后,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模仿信号,并在计算机节点中执行干扰高优先级任务。
传感器节点采用时间(clock→display)驱动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)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似编号。
(juli无线)
Numberofnodes网络节点数
决定了模块Snd和Rcv(输入、输出)大小。
若节点数增多,则每个节点所占带宽必然缩短,导致数据包丢失。
Networknumber:
8
Datarate(bits/s)网络传播速率
其含义是每秒钟传播二进制数位数。
影响网络传播速率因素重要有带宽、延迟和丢包。
带宽越窄、延迟时间越长、丢包越严重,则传播速率就越低。
如图所示,将传播速率分别改为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
若输入信息不大于此帧,那么网络将自动弥补(以单纯高低电平方式)。
如下图所示,最小帧分别为40、400,当最小帧为400时,控制系统自动弥补,信息严重丢包。
Minimumframesize(bytes):
40
Minimumframesize(bytes):
400
Lossprobability(0-1)传播过程中信息丢失率
丢失信息会占用网络带宽,却不能到达目地。
Lossprobability(0-1):
0.2
Lossprobability(0-1):
0.5
网络模式:
TruetimeNetwork重要支持六种简朴网络模型:
CSMA/CD(e.g.Ethernet)带有冲突检测载波监听随机访问
CSMA/AMP(e.g.CAN)带有信息优先级仲裁载波监听多路访问
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(常用缓冲)
Switchoverflowbehavior(开关溢出行为)——retransmit(传播)
FDMA(FrequencyDivisionMultipleAccess)频分多址
可调节Bandwidthallooations(带宽)
TDMA(e.g.TTP)TimeDivisionMultipleAccess时分多址
可调节Slotsize(bits)、Cyolicschedule
SwitchedEthernet
可调节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、干扰节点优先级同为1,控制器优先级为2。
1、传感器
传感器重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)。
简朴阐明
作用:
初始化传感器节点
ttInitKernel(1,0,'prioFP')规定模仿输入
(1)与输出(0),以及节点任务优先级(prio)
%创立传感器节点任务,对传感器节点所用参数(涉及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(4,'nw_handler');%对网络初始化,其中传感器节点为网络中4号节点
将偏移量改为2,成果为:
offset=0
offset=2
采样周期改为0.020,则其周期性采样频率变小:
打开senscode.m(传感器节点任务程序)可以看到节点任务分3步进行。
case1中,data.y=ttAnalogIn
(1);%读取模仿端口1信号,存储到data.y,case2中,ttSendMsg(3,data.y,80);%将存储在data.y信号向端口3控制器端发送。
2、控制器
其重要任务是接受传感器传过来信号,对控制信号进行计算和解决,并把成果发送到执行器(包具有优先级最高干扰任务)
先Createanewmodel,设计出控制器内部构造(连接Node3控制器模型),然后将连接图所有选中,右击选取Createsubsystem创立子系统,即可生成Node3控制器模块(Controller)。
然后通过对控制器节点初始化,节点任务和网络中断程序进行编辑,分别建立相应M文献。
3、执行器
其重要任务是接受控制器传过来信号,并执行任务。
执行器制作过程与控制器类似,在此不再累述。
4、干扰节点
干扰节点重要任务是模仿网络中信号干扰,其初始化同传感器节点。
干扰节点任务程序(interfcode.m):
BWshare=0;%设立某些网络带宽占用这个节点。
将其改为0.7,观测现象。
BWshare=0.0
BWshare=0.7
ttSendMsg(1,1,80);%给自身发送80bits信号。
BWshare=0.7保持不变,将ttSendMsg(1,1,80)改为ttSendMsg(1,1,90),得:
即节点所占网络带宽越长,给自身发送信号越大,干扰作用就越强。
③被控对象
被控对象为
。
稳定性:
信号受到“干扰波动”后,能恢复原有状态能力,即信号抗干扰力。
现将被控对象分别改为
和
,分别观测系统稳定性如下:
从上图可以看出:
在一定范畴内,选取不同被控对象,不影响系统稳定性。
无线网络控制系统
一、构成构造
该系统涉及传感器节点、执行器节点和控制器节点,其构成构造如下图所示:
二、存在问题
无线网络控制系统依然存在时延、丢包、多包、乱序问题,这些问题浮现会减少系统性能,譬如使系统稳定范畴变窄,稳定性变差,严重时甚至使系统失稳。
但,所不同是,有线网络中,功率消耗是不持续、间断,而无线网络中功率消耗是持续,这会导致Truetime中电池能源(TruetimeBattery,存在于传感器/执行器节点、控制器节点之中)耗光,从而失去控制效果。
因此,在无线网络控制系统中采用了功率控制方略。
其效果如下图所示:
带功率控制程序性能曲线
删除了某些功率控制程序(powctrlcode.m)性能曲线
三、无线网络控制系统仿真实例
这是一种无线网络控制系统实例(wireless.mdl):
简略概述:
时间(clock→display)驱动传感器/执行器节点(Node1)周期性对过程(DCServo)采样并将采样值经网络(WirelessNetwork)发送到控制器节点(Node2)。
控制器节点任务是计算控制信号并将成果发送回传感器/执行器节点,执行控制信号。
无线网络控制系统连接同步也是一种功率控制方略。
在传感器/执行器节点和控制器节点中执行功率控制任务。
由于无线控制系统与有线控制系统仿真模块有许多相似之处,故在此仅对其做简略阐述与分析:
①Network
无线网络控制系统与有线网络控制系统相比较,其网络模块参数中相似有:
Networknumber(网络模块编号)、Numberofnodes(网络节点数)、Datarate(bits/s)(网络传播速率)、Minimumframesize(bytes)(最小帧)Networktype(媒体访问控制合同)。
她们功能完全同样,其中,有线网络系统可以支持六种简朴网络模型,而无线网络控制系统只能支持两种网络合同:
IEEE802.11b/g(WLAN)和IEEE802.15.4(ZigBee)。
此外,无线网络系统还增添了三项网络参数:
Transmitpower发射功率
修改发射功率参数,得:
Transmitpower=20
Transmitpower=40
由上可知:
发射功率过大,会导致信号资源挥霍。
Receiversignalthreshold接受信号功率门限
功率门限:
将个别闲置内核功耗减少至接近于零状态,而不受其他运营内核影响,这样可以节约功率消耗。
Receiversignalthreshold=-48
Receiversignalthreshold=-10
可见,功率门限设立得过高,系统将某些并非闲置内核功率也降至接近于零状态,则导致信号失真。
Pathlossexponent途径损耗指数
途径损耗在此之意为Node1与Node2之间传送数据时,由Network传播环境引入损耗量。
Pathlossexponent=3.5
Pathlossexponent=5.5
由仿真图可知:
途径损耗指数越高,信号损耗越大。
②TruetimeKernel
无线网络控制系统中将TruetimeKernel也用作网络节点,即传感器/执行器节点和控制器节点。
传感器节点将所获信号传递给控制器节点,执行器节点则接受控制器传过来信号,并对被控对象执行任务。
和有线网络控制同样,无线网络控制也是通过对传感器/执行器、控制器节点初始化,节点任务和网络中断程序进行编辑,然后分别建立相应M文献。
所不同是,无线网络控制系统增添了TruetimeBattery(电池模块)和功率控制程序。
Truetimebattery电池模块
它连接在内核模块(传感器/执行器节点、控制器节点)反馈环上,通过Simulink积分模块实现功耗变化状况模仿。
其输入为CPU速度、发送或接受数据状况、节点功耗等,输出反馈给内核模块。
Wattseconds(Joule)=0.3
Wattseconds(Joule)=0.6
Wattseconds(Joule)是电池模块中参数,意为瓦特秒(焦耳)。
由仿真图可知:
参数变大,则节点解决信号功率也随之变大。
功率控制程序
分别在传感器/执行器节点、控制器节点相应M文献中创立“功率控制任务”、“功率响应任务”,建立“功率控制程序(powctrlcode.m)”、“功率响应程序(powrespcode.m)”M文献来执行功率控制方略。
③被控对象
被控对象为
。
稳定性即为信号受到“干扰波动”后,能恢复原有状态能力,即信号抗干扰力。
将被控对象分别改为
和
,分别观测系统稳定性如下:
和有线网络控制系统所得结论同样:
在一定范畴内,选取不同被控对象,并不影响系统稳定性。
结束语(感想):
学了半个学期MATLAB,重要感受有两方面:
一种是教材问题,我个人是这样以为,入门学习资料最佳是带中文翻译,如果全盘英文专业单词,还要一边做一边查词典,确很吃力。
尚有,就是要多做多练习,遇到不会内容要多查些资料,这样也可以培养自学能力。
只有经常去做,才干熟悉各个模块功能,只有多思考才干体会其中乐趣。
明白了就懂得这没什么太大难度,只但是规定更细心,更有耐心而已。
参照文献:
MATLAB修改稿
基于MATLAB网络控制系统仿真
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 Truetime 网络 控制系统 仿真 样本