無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺研究

王修凱，帥小應(yīng)，韓 強(qiáng)

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺研究

王修凱，帥小應(yīng)，韓 強(qiáng)

目的：針對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制領(lǐng)域應(yīng)用的迫切需求，克服單一仿真平臺的局限性，研究設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺。方法：采用模塊化思想，聯(lián)合考慮到通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性，實(shí)現(xiàn)控制和網(wǎng)絡(luò)的全數(shù)字與半實(shí)物的聯(lián)合仿真。結(jié)果：真實(shí)模擬無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，較為真實(shí)地反映了無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的真實(shí)情況。結(jié)論：聯(lián)合仿真平臺可以實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)算法和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)與仿真，優(yōu)化系統(tǒng)的性能，為提高系統(tǒng)的性能提供仿真、驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺。

無線網(wǎng)絡(luò)；控制系統(tǒng)；聯(lián)合仿真

0 引言

無線網(wǎng)絡(luò)具有部署靈活及支持移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，因此，在應(yīng)用對象為可以運(yùn)動(dòng)的或者對象所處的環(huán)境難以用有線網(wǎng)絡(luò)方式連接的場合得到廣泛的應(yīng)用。隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)（wireless sensor networks，WSN）的發(fā)展，將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與WSN應(yīng)用于控制系統(tǒng)是對有線控制的延伸，是控制技術(shù)的一種新的發(fā)展趨勢，成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究[1]。雖然無線網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)給控制系統(tǒng)帶來了實(shí)施方便與靈活、節(jié)約成本等好處，但由于無線信道的不可靠及干擾的時(shí)變性等，使得傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)及控制理論與方法直接應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域不能取得滿意的系統(tǒng)性能。目前，無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（wireless networks control system，WNCS）的研究還相當(dāng)不成熟，尤其是國內(nèi)的研究才剛剛起步，研究的進(jìn)展不能與應(yīng)用現(xiàn)狀以及實(shí)際的迫切需要相適應(yīng)。

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅要考慮控制算法的設(shè)計(jì)，同時(shí)也要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參數(shù)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到系統(tǒng)的性能最佳。為了驗(yàn)證無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究成果或者設(shè)計(jì)算法的有效性，必須利用有效的仿真平臺對系統(tǒng)進(jìn)行仿真與驗(yàn)證。當(dāng)前流行的網(wǎng)絡(luò)與控制仿真工具主要有OPNET、NS2、Matlab、TureTime等，都只提供單一仿真方式。單一仿真平臺在靈活性或真實(shí)性等方面具有一定的局限性。

利用OPNET、Matlab、C++構(gòu)建聯(lián)合仿真平臺，運(yùn)用OPNET模擬無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，利用Matlab構(gòu)建控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字與半實(shí)物聯(lián)合仿真。無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺能克服單一仿真平臺的不足，聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化真實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)及整個(gè)WNCS的行為。通過仿真平臺，可以實(shí)現(xiàn)對控制器算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行綜合仿真，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等理論研究提供仿真實(shí)驗(yàn)平臺。對基于無線網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真研究，可為無線網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用提供技術(shù)支持和仿真平臺，對無線網(wǎng)絡(luò)的深入研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 相關(guān)研究

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)融合了網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有無需連線、易于擴(kuò)展與維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

基于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境控制系統(tǒng)的研究近年來受到國內(nèi)外的高度重視，成為當(dāng)前的熱點(diǎn)研究。無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究主要集中在2個(gè)方面：一是先進(jìn)控制策略的設(shè)計(jì)與性能分析；二是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機(jī)制和協(xié)議。在WNCS中，控制方面的研究通常僅把網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)方面（丟包、延時(shí)等）作為控制設(shè)計(jì)的參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)方面主要進(jìn)行調(diào)度策略與通信序列的研究，而針對無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺研究較少。

G.W.Irwin等[1]回顧了無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀、工業(yè)前景與最近相關(guān)的研究；M.Tabbara等[2]針對一類具有擾動(dòng)的非線性無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，利用Lyapunov穩(wěn)定性定理分析了閉環(huán)系統(tǒng)的輸入—輸出穩(wěn)定性；岳東等[3]討論了無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的跨層設(shè)計(jì)方法。針對WLAN控制系統(tǒng)，許多研究者對MAC的性能進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)改進(jìn)MAC協(xié)議以實(shí)現(xiàn)對無線控制的支持。沈剛[4]提出了無線實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問控制協(xié)議，具有最大確定的時(shí)延，并分析了突發(fā)性實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延；范興剛等[5-6]提出了一種實(shí)時(shí)性無線介質(zhì)訪問協(xié)議，依據(jù)不同的信道空閑等待時(shí)隙長度區(qū)分不同的優(yōu)先級；曹春生等[7-9]針對工作站具有2類優(yōu)先級數(shù)據(jù)幀的工業(yè)控制應(yīng)用中，提出了一種基于競爭的實(shí)時(shí)介質(zhì)訪問協(xié)議，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有高的優(yōu)先級，并保證具有有限的時(shí)延。

網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃提供可靠的定量依據(jù)，以進(jìn)行科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，優(yōu)化大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究，主要針對設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，主要提供單一仿真方式。當(dāng)前流行的網(wǎng)絡(luò)與控制仿真工具主要有OP NET、NS2、TrueTime、Matlab/Simulink等。OPNET、NS2主要用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真研究，但難以建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型和控制算法；TrueTime主要用于控制策略與網(wǎng)絡(luò)性能對控制系統(tǒng)的影響仿真，對無線網(wǎng)絡(luò)支持有限；Matlab/Simulink提供了強(qiáng)大的控制系統(tǒng)的仿真功能，但對網(wǎng)絡(luò)支持有限。Ahmad Al-Hammouri等[10]搭建了基于NS2的仿真平臺；彭麗萍等[11]利用Matlab/TrueTime研究了無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真。這些仿真平臺只能模擬出系統(tǒng)的單一特性，在靈活性與真實(shí)性方面具有一定的局限性，無法較為真實(shí)地仿真分析無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性。清華大學(xué)的李洪波等[12]、華中科技大學(xué)的楊素林等[13]分別采用Matlab、OPNET或NS2、VC++軟件平臺研究有線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真平臺；另外，王慶鳳等[14]設(shè)計(jì)了基于NS2與Matlab的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺。但是，這些平臺主要針對現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)且其反映的網(wǎng)絡(luò)只能表示出部分特性，沒有充分考慮到無線網(wǎng)絡(luò)的特性。為了研究無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺，M.S.Hasan等[15]、M.Bartl等[16]分別研究了基于OPNET的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺，研究設(shè)計(jì)外部接口實(shí)現(xiàn)OPNET與外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享。該仿真平臺主要利用OPNET仿真無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并利用接口與外部的控制系統(tǒng)仿真平臺進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)較為真實(shí)的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的仿真。此仿真平臺功能簡單，沒有考慮到真實(shí)的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與針對無線網(wǎng)絡(luò)特性而采用的先進(jìn)的控制算法等。

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究還處于起步階段，應(yīng)聯(lián)合考慮網(wǎng)絡(luò)與控制的動(dòng)態(tài)性，研究設(shè)計(jì)聯(lián)合仿真平臺，仿真、優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到系統(tǒng)性能的最佳目標(biāo)。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 聯(lián)合仿真平臺設(shè)計(jì)

圖2 WNCS仿真平臺框架

圖3 Esys進(jìn)程模型

2.1 仿真平臺框架設(shè)計(jì)

在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真研究的基礎(chǔ)上，針對無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特性，設(shè)計(jì)出聯(lián)合的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)仿真平臺?；贠PNET的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺的總體框架如圖2所示，主要由Matlab控制器/被控對象模塊、OPNET無線網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、接口模塊與Cosim模塊4個(gè)部分組成。

利用 Matlab/Simulink設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的受控對象與控制器，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真；無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境由OPNET仿真平臺來模擬實(shí)現(xiàn)；OPNET與Matlab之間通過外部接口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信與共享；OPNET通過Esys（External System）模塊與聯(lián)合仿真模塊（Cosim）之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；Matlab通過MX接口與C語言程序?qū)崿F(xiàn)通信，從而實(shí)現(xiàn)OPNET與Matlab之間數(shù)據(jù)的共享。

2.2 Esys模型設(shè)計(jì)

Esys模型是OPNET與外部程序通信的關(guān)鍵模型，Esys進(jìn)程模型如圖3所示。Esys接口在Esys進(jìn)程模型中給出定義，接口定義如圖4所示。

2.3 聯(lián)合仿真模塊Cosim設(shè)計(jì)

圖4 Esys接口定義

Cosim模塊是外部程序與OPNET之間的橋梁。Cosim模塊通過OPNET的ESD（external system definition）對外接口和中斷設(shè)計(jì)Esys，從而實(shí)現(xiàn)OPNET與Cosim模塊之間的數(shù)據(jù)通信；外部程序通過Cosim模塊實(shí)現(xiàn)與OPNET數(shù)據(jù)的交換。Cosim模塊關(guān)鍵代碼如下：

3 仿真實(shí)驗(yàn)與效果

3.1 仿真環(huán)境

無線網(wǎng)絡(luò)控制環(huán)境下，通過PID控制DC的仿真平臺環(huán)境（如圖5所示）。Plant和controller 2個(gè)節(jié)點(diǎn)分別代表被控對象與控制器?？刂破靼芽刂浦噶钔ㄟ^無線網(wǎng)絡(luò)傳送到plant節(jié)點(diǎn)，再將指令通過接口傳送到執(zhí)行器，并將執(zhí)行、檢測結(jié)果通過無線仿真環(huán)境返回給控制器。

3.2 控制器設(shè)計(jì)

圖5 仿真環(huán)境

DC的傳遞函數(shù)由式（1）給出，即式中：h=0.01s；N=100 000；K=1.5；Td=0.035；Ti=0.14。

3.3 仿真效果

圖6與圖7為有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)和沒有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的情況下無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的參考信號r與輸出信息y。由圖7可知，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對系統(tǒng)性能存在明顯的影響。通過仿真平臺可以優(yōu)化系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，從而提高控制系統(tǒng)的性能。

圖6 無網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的r和y

圖7 有網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的r和y

4 結(jié)語

針對無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特性，本文利用OPNET、Matlab、C++建立無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真平臺，克服單一仿真平臺的局限性。聯(lián)合仿真平臺利用OPNET真實(shí)模擬無線網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性，運(yùn)用Matlab仿真控制系統(tǒng)的行為特性，較為真實(shí)地反映了無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的真實(shí)情況。聯(lián)合仿真平臺可以實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)算法和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行綜合的設(shè)計(jì)與仿真，優(yōu)化系統(tǒng)的性能，為提高系統(tǒng)的性能提供仿真、驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺。

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（收稿：2014-02-28 修回：2014-05-21）

Research of co-simulation platform for wireless network control system

WANG Xiu-kai1,SHUAI Xiao-ying2,HAN Qiang1
(1.Information Center,the 86th Hospital of the PLA,Dangtu 243100,Anhui Province,China; 2.Department of Computer Science,Chizhou University,Chizhou 247000,Anhui Province,China)

ObjectiveTo design a co-simulation platform for the wireless control system to conquer the defects of single simulation platform.MethodsModular idea,dynamic communication network and control system were used to realize the fully digital and semi physical co-simulation.ResultsThe dynamic wireless network was simulated,and the status of wireless network control system was shown clearly.ConclusionCo-simulation platform can realize comprehensive design and simulation of the control system algorithm and network parameters,and can optimize the performances of the system. [Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（11）：40-42，128]

wireless network;control system;co-simulation

R318；TP393.1

A

1003-8868（2014）11-0040-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.11.040

王修凱（1973—），男，主任，高級工程師，主要從事信息標(biāo)準(zhǔn)化與網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究工作，E-mail：wxk850565@163.com。

243100安徽當(dāng)涂，解放軍86醫(yī)院信息中心（王修凱，韓 強(qiáng)）；247000安徽池州，池州學(xué)院計(jì)算機(jī)系（帥小應(yīng)）