（检测技术与自动化装置专业论文）基于matlab的网络控制系统仿真平台的开发.pdf

人连理t 大学硕十学位论文 捅姜 随着电子技术、计算机和网络通信技术的发展，以及控制和管理要求的不断提高， 使得控制系统正由封闭的集中式体系加速向开放的分布式体系发展。在这个过程中，逐 渐形成了网络化的分布式体系结构，网络控制系统成为当前控制技术研究的主要方向之 一。然而，由于网络控制系统普遍存在时延、数据传输、以及数据包丢失等问题，这往 往使得网络控制系统的稳定性变差，甚至无法运行。因而，网络环境下控制器设计方法 成为研究人员关注的热点。但是搭建实际的网络控制系统试验平台需要较多的资金投 入，同时也需要投入较多的人力为硬件设备开发软件系统，因此，搭建网络控制仿真平 台成为研究网络控制系统的主要方法。 本课题对基于m a t l a b 的网络控制系统的仿真平台进行了研究，针对m a t l a b 缺少网 络通信功能，无法把实物网络引进仿真平台的问题，使用m a t l a b 软件和符合o p c2 0 规范的o p c 数据服务器开发了一种基于m a t l a b 的网络控制系统的仿真平台。在该平台 中，m a t l a b 利用o p ct o o l b o x 工具箱提供的对o p c 技术的支持，作为o p c 客户端与 o p c 服务器进行网络通信，解决了m a t l a b 的s i m u l i n k 环境没有网络通信模块，不能进 行联机仿真的问题。 该平台比使用t r u e t i m e 等网络仿真软件有更好的精确性；平台利用o p c 技术成熟 的数据存取机制，满足仿真模型对数据传输稳定性和实时性的要求，o p c 技术以 c o m d c o m 为基础，使用作用在会话层的r p c ( r e m o t ep r o c e s sc a l l ) 统一处理网络交 互，比使用作用在传输层的s o c k e t 编程有更好的通用性。 实验证明该平台能够引进实际网络对控制系统的真实影响，运行良好，可以作为网 络控制系统的研究平台。 关键词：网络控制系统；m a t l a b ；仿真平台；0 p c 技术；0 p ct o o l b o x 基于m a t l a b 的网络控制系统仿真平台的开发 t h e d e v e l o p m e n t o fs i m u l a t i o np l a t f o r mf o rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m b a s e do nm a t l a b a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，c o m p u t e ra n dn e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，c o n t r o ls y s t e mi ss p e e d i n gu pf r o mc l o s ea n dc e n t r a l i z e da r c h i t e c t u r et ob e i n g o p e na n dd i s t r i b u t e d ，t os a t i s f yt h ec o n t i n u o u sd e v e l o p i n gr e q u i r e m e n to fc o n t r o lq u a l i t ya n d m a n a g e m e n t n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mi sg r a d u a l l yf o r m e di nt h ep r o c e s s ，a n ds o o nb e c o m e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n td o m a i n so fc o n t r o lt e c h n i q u e h o w e v e r , s o m ep r o b l e m sa l w a y s e x i s ti n c l u d i n gt i m e d e l a y ，d a t at r a n s f e r r i n ga n dd a t ap a c k e tl o s si nn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ， a n dt h e yw i l lm a k et h ed e s i g n e dc o n t r o l l e ra n dc o n t r o ls y s t e mu n s t a b l e ，o re v e nf a i lt ow o r k s ow es h o u l dd or e s e a r c ha b o u tn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mc o n t r o l l e rd e s i g n i n gm e t h o d s s c h o l a r sn e e dp l a t f o r mt od ot h er e s e a r c h ，b u tal a r g en u m b e ro fh u m a nr e s o u r c ea n df u n d s a r en e e d e dt oe s t a b l i s har e a le x p e r i m e n tp l a t f o r l n a n dd e v e l o ps o f t w a r es y s t e mf o rt h e p l a t f o r m ，s oe s t a b l i s h i n ga s i m u l a t i o np l a t f o r mb e c o m e sap r o p e rw a y t h ep a p e rs t u d yt h ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o np l a t f o r m sb a s e do nm a t l a b ，m a t l a bd o e s n o th a v en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e st om a k et h en e t w o r kb ep a r to ft h es i m u l a t i o n p l a t f o r m 1 1 1 ep a p e rd e s i g n e das o l u t i o nu s i n go p cd a t as e r v e rc o o p e r a t e dw i t hm a t l a bt o d e v e l o pas i m u l a t i o np l a t f o r m m a t l a bw o r k sa sa no p cc l i e n tc o m m u n i c a t i o nw i t l lo p c s e r v e rt h o u g ht h en e tw i t ht h eh e l po fo p ct o o l b o xv i ao p ct e c h n o l o g y ，a n dt h ep r o b l e m t h a tm a t l a bc o u l dn o ts i m u l a t eo n l i n ei ss o l v e d t h ep l a t f o r md e s i g n e dh a sb e t t e ra c c u r a c yt h a nt h a tu s e ss o f t w a r es i m u l a t i o nl i k e t r u e t i m e ，i ta l s oc o u l ds a t i s f yt h es t a b i l i t ya n dr e a l - t i m er e q u i r e m e n tw h i c ht h es i m u l a t i o n m o d e l sa s kf o r ，u t i l i z i n gt h em a t u r eo p cd a t aa c c e s sm e c h a n i s m o p ci sb a s e do nc o ma n d d c o m w h i c hu s er p cw o r k i n go ns e s s i o nl a y e rt od e a lw i t ha l ln e t w o r k e di n t e r a c t i o n i t s m o r eu n i v e r s a lt h a ns o c k e tp r o g r a m m i n gw h i c hr e l yo nt r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o l s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep l a t f o r mc o u l dr e f l e c tt h ea f f e c t i o no fr e a ln e t w o r k ，i tr u n s f l u e n t l ya n dc o u l dw o r k sa st h es i m u l a t i o np l a t f o n i lf 0 rn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ；m a t l a b ；s i m u l a t i o np l a t f o r m ；o p ct e c h n o l o g y ； o p ct o o l b o x i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 王作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注晚引黑内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使惩过的成果。与我一蔺工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王! ! 垒垒鲍圆终撞剑丕统位真垩佥鲍珏发 作者签名：趔超霉期：迦堑年坐冀兰三蠢 人连理j ：人学硕 埘f 究生学何论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：基王丛垒! ! 垒鱼鲍圆终控剑丕红笾真圣佥鲍五发 二 作者签名：迦丛 日期：巡年上二月上2 日 导师签名： 丕蛰筮琶 人连理一j ：大学硕七学位论文 1绪论 信息技术的迅猛发展，网络技术的成熟和i n t e m e t 的广泛普及，控制系统也在伸展它 的地域范围，网络已经成为控制系统信息的传输媒介，越来越多的人开始研究网络控制系 统，期望获得更好的控制效果。从控制系统的出现开始，就产生了控制信息交换与共享 的问题。但是由于技术上的限制，控制系统发展早期采用的是一种封闭的体系结构。 2 0 世纪中期的自动控制生产规模很小，数字计算机技术尚不发达，计算机价格昂贵， 人们企图用一台计算机取代尽可能多的控制室仪表，于是出现了集中式数字控制系统 ( d d s ) 。由于当时计算机可靠性较差，一旦计算机出现某种故障，就会造成所有相关控 制回路瘫痪、生产停产的严重局面。2 0 世纪8 0 年代中期，随着计算机可靠性的提高， 价格的大幅度下降，出现了数字调节器、可编程控制器以及由多个计算机递阶结构的集 中与分散相结合的集散控制系统( d c s ) ，它在功能、性能上较d d s 系统有了很大进步， 但是d c s 系统仍然是模拟数字混合系统，模拟信号的转换和传输使系统精度受到限制。 其次，它结构上遵循主从式思想，没有完全突破集中控制模式的束缚，系统可靠性有限。 而且d c s 系统属非开放式专用网络，各系统互不兼容，不利于系统的普及与应用。 随着电子技术、计算机和网络通信技术的发展，以及控制和管理要求的不断提高， 使得控制系统正由封闭的集中式体系加速向开放的分布式体系发展。在这个过程中，逐 渐形成了网络化的分布式体系结构。 现场总线技术( f c s ) 兴起于2 0 世纪9 0 年代，是连接智能现场设备和自动化系统的 数字式双向传输、多分支结构的通信网络。它突破了d c s 系统中采用专用网络的缺陷， 把专用封闭协议变成标准开放协议。同时它使系统具有完全数字计算和数字通信能力。 结构上它采用了全分布式方案，把控制功能彻底下放到现场，提高了系统可靠性和灵活 性。但是f c s 系统的各种协议并不统一，不同总线协议的系统不易互连。而且，现场总 线通讯协议与上层管理信息系统或i n t e r n e t 所广泛采用的t c p i p 协议不兼容，也存在 协议转换问题。当现场总线的发展遇到阻碍时，以太网技术却得到了迅猛发展，目前由 于以太网具有广泛的技术支持，资源共享能力强，易于组网等优势，工业以太网正逐步 进入工业控制网络领域。t c p i p 协议是一个跨平台的通信协议族，能方便地实现异种 机互联，它促进了计算机信息网络及i n t e r n e t 的飞速发展，因此，t c p i p 协议由信息 网络向底层控制网络延伸和扩展，形成了控制与信息一体化分布式全开放网络- n c s 系统，网络化、分布化和节点智能化成为了控制系统新的发展方向，符合计算机、网络 和控制技术融合的潮流，也成为控制领域研究的热点。 1 1网络控制系统的定义 网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称n c s ) 的概念自从2 0 世纪9 0 年代初 被提出，就引起了人们的关注，同时对传统的控制系统理论和应用提出了新的挑战。网 络控制系统最早出现在马里兰大学g cw a l s h 的论著中，但未给出明确的定义。关于 n c s 的定义有以下几种： 清华大学顾洪军给出的定义【l 】：网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ) ，又称 为网络化的控制系统，即在网络环境下实现的控制系统，是指在某个区域内一些现场检 测控制及操作设备和通信线路的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同 地点的设备和用户实现资源共享和协调操作。广义的网络控制系统不但包括狭义的在 内，而且还包括通过企业信息网络以及i n t e m e t 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备 的监视与控制等。 文献【2 】提出了网络化控制系统的概念，认为通常一个典型的控制系统包括传感器、 控制器和执行机构等部分，利用数据网络连接控制组件形成闭环控制回路的实时反馈控 制系统称为网络化控制系统( n c s ) 。 文献【3 】认为一般将通过网络形成闭环的反馈控制系统称为网络控制系统，其特征是 系统各组件之间可以通过网络交换信息。 网络控制系统是指借助于通信网络而构成环路的闭环反馈控制系统，即嘲络是系统 的一部分，其传感器、控制器和执行机构、传感器和传感器、执行机构和执行机构之间 的信息传递都是通过网络实现的，控制变量和受控变量都是以数字量的形式在网络中进 行传递的。其基本结构如图1 1 所示。 1 1 网络控制系统结构图 f i g 1 1 s t r u c t u r eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 大连理。：大学硕士学位论文 1 2 网络控制系统的特点 1 2 1 网络控制系统的优点 相比较与先前的各种计算机控制系统，网络控制系统有许多的优点。包括： 减少了系统连线：网络控制系统在控制层引入通信网络，每个节点可以通过共享网络 来传输数据，相对于点对点连线方式，大大简化了布线，节省了布线成本，提高了可靠 性，并降低了由此带来的维护成本。 设备即插即用：只需要通过简单的软硬件配置，就可以很方便地从系统中删除或者 增加新的节点，具有非常大的灵活性。 设备可互换性：由于网络控制系统的开放性，各个节点只要符合标准的网络协议和 满足功能就可以互相调换，而不是按照个别厂家或者公司来设计，不需要通过转换设备 来使得设备之间能够互相通信。 抗干扰性能好：全部采用双向的数字信号传输，比传统的4 2 0 m a 信号传输的抗干扰 性能更好。 系统信息集成和设备诊断方便：网络的扁平化，控制层网络与管理层网络的无缝连 接，使得管理系统很容易获得控制系统的运行状况和设备的状态信息，以及其它各种信 息，可以方便地在线故障检测与诊断。 正是因为网络控制系统的优点，其应用也越来越广，越来越多地应用于复杂的工业 控制领域，如兵器系统、远程医疗、机器人遥操作、远程教学和试验、工业e t h e r n e t 技 术、控制教育领域、建筑自动化、家庭自动化、智能汽车系统、航空及航天、移动传感 器网络等1 4 j 。 1 2 2 网络控制系统的问题 网络控制系统采用实时网络来构成反馈控制系统，带来许多优点的同时也带来了许 多问题。控制系统的分析和设计变得更加复杂【5 刮。例如，网络控制系统引入了以下的 几个问题： 时延问题：网络控制系统中除了各个节点内部存在的编码、解码、计算等设备处理 时延外，由于采用了共享网络来传输数据，会导致网络传输时延。网络传输时延包括传 感器到控制器的时延，控制器到执行器的时延，之和称为控制时延。时延会降低控制系 统性能，增加超调量，延长过渡过程时间，减少稳定裕度，甚至会导致系统不稳定。 数据传输问题：在网络控制系统中传输的数据包括实时数据和非实时数据。实时数 据，如各种传感器和控制器的i o 信号、系统状态监视数据等，对时间要求苛刻，一般 不允许有秒级的延迟，甚至不允许有毫秒级的延迟。实时数据的长度都很短，数据量相 基丁二m a t l a b 的网络控制系统仿真平台的开发 对较少，对带宽的占用率较低。非实时数据，如用户编程数据、组态数据等，对时间要 求不是很苛刻允许有相对较长的时延，但这种数据的长度较长且不定。而且数据量相对 较大，对带宽的占用较高。这些数据在控制网络中传输时有以下一些特点： ( 1 ) 节点需要网络资源的确切时刻不确定。 ( 2 ) 节点占用网络资源的时间不确定。 ( 3 ) 一旦节点需要占用网络资源，它希望能及时得到资源。 ( 4 ) 大部分时间各节点并不需要占用网络资源。 因此，在网络控制系统中，各节点对网络资源的需求是一种突发性的异步需求，这 种需求特性给资源分配和共享增加了不少困难。 数据包丢失问题：网络控制系统中的数据包通过网络传输，当节点有错误或者冲突 发生，可能导致数据包丢失。尽管许多网络协议有重发机制，但是数据包重发机制存在 着许多问题，会导致网络控制系统的实时性变差。 上述的问题会直接造成网络控制系统的稳定性变差，甚至是不稳定1 1 7 1 。 1 3 网络控制系统仿真平台 网络控制系统的优势显而易见，而且已被广泛的用于社会生活的诸多领域，因此， 对网络控制系统进行研究来改善系统的性能具有重要的意义。对网络控制系统的研究包 括对控制算法的开发和对网络的研究，而其中网络对网络控制系统的影响是造成传统的 控制算法的设计方法不再能满足设计性能要求的关键，所以，开发网络控制系统的平台， 研究网络环境下控制器设计方法成为研究人员关注的热点。针对网络对网络控制系统的 影响而建立的网络控制系统的研究平台，应该能够如实反映控制回路中的通信延迟特 性，但是搭建实际的网络控制系统试验平台需要较多的资金投入，同时还需要投入较多 的人员为硬件设备开发软件系统。因此，搭建网络控制仿真平台研究对控制系统的影响 成为研究网络控制系统的主要方法之一。 1 4 本文的研究工作介绍 m a t l a b 软件是科学、计算和工程研究领域流行的功能强大的软件系统，在控制系统 的研究和设计方面尤其如此，丰富的函数模块库和工具箱使得研究人员能快速的建立控 制系统的模型，能将控制方法和开发出控制器模型立即用于系统仿真，已经被广泛的用 于系统设计和功能仿真。在m a t l a b 软件的基础上开发网络控制系统的仿真平台是节省 人力和时间成本的有效选择，也避免了开发复杂的编程语言，需要研究人员花费大量时 大连理工大学硕士学位论文 问学习和熟悉的新系统陌生感。而s 函数等允许m a t l a b 用户使用自己熟悉的编程语言 扩展软件内置的算法和功能，具有极强的扩展性。 现在利用m a t l a b 搭建仿真平台的方法中，被广泛采用的一种是借助t r u e t i m e 工具箱 仿真网络对网络控制系统的影响。而采用软件方法搭建的网络控制系统仿真平台是否合 理和有效，关键看其能否准确地模拟传感器到控制器和控制器到执行器的通信延迟。不 少学者利用随机函数模型来近似产生网络中的通信延迟，t r u e t i m e 是根据网络m a c 协议 对通信延迟进行机理建模的方法【8 】。由于实际网络控制系统的随机延迟模型很难准确获 得，采用随机函数模型产生的网络延迟与实际情况往往存在较大误差。t r u e t i m e 实现的 机理建模方法也具有局限性，它只适用于单级的网络拓扑，而且当网络中的通信节点较 多时仿真系统运行效率很低。因此，还有另外一种方法被采用，它从实际网络中取得通 信延迟等各种因素的影响，因为从实际网络中获得网络状况，它可以更好的模拟网络对 网络控制的影响。实现把真实的网络作为仿真平台的方法是通过网络编程将计算机和网 络连接，将数据发送到网络上。实现该任务较多被采用的方法是为s i m u l i n k 环境编写网 络通信模块1 9 j ，然后在封装在s 函数模块中调用。然后在两台计算机分别实现控制器和 控制对象，通过网络通信模块构成通信回路，实现仿真平台的开发。但该种方法只能对 特定的网络协议编写网络模块，而且需要对网络协议知识有较多的了解。通用性差，开 发难度较大。 o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 是过程控制业中的新兴标准，它的出现为基于 w i n d o w s 的应用和基于现场控制的应用建立了桥梁。在过去，为了存取现场设备的数据 信息，每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数。由于现场设备的种类繁多， 且产品的不断升级，往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担。通常这样也不能 满足工作的实际需要，系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性、可靠性、开放性、 可互操作性的即插即用的设备驱动程序。在这种情况下，o p c 标准应运而生，o p c 技术 的出现把开发访问设备接口的任务放在硬件生产厂家或第三方厂家，以o p c j 畏务器的形 式提供给用户，解决了软、硬件厂商的矛盾，完成了系统的集成，提高了系统的开放性 和可互操作性。 o p c 数据服务器采用客户服务器模式，是过程控制应用中的“软件总线”。基于o p c 技术的工业软件模块自由的分布在这条软总线上，现场数据对于软件模块完全透明，软 件模块可以分布在网络上的不同接点。o p c 技术不仅可以灵活的应用于工控软件体系结 构的各个层次，同时o p c 技术也可以作为任何软件模块间数据通信的标准接口。 o p c 技术作为软件模块间通信的标准接口，以d c o m 为基础，使用r p c 实现进程 通讯。r p c 摆脱了对底层网络协议的依赖，避免了针对网络协议的不同而编写不同的网 基于m a t l a b 的网络控制系统仿真平台的开发 络通讯模块，m a t l a b 提供了对o p c 技术的支持，利用m m l a b 提供的o p ct o o l b o x 工具 箱完成了一种新的基于m a t l a b 软件的网络仿真平台的开发，实验证明了平台的有效性， 并具有良好的扩展性。 本论文对基于m a t l a b 的仿真平台开发进行介绍和分析，并对其中普遍采取的仿真 平台开发方法进行总结。并利用工业上先进的o p c 技术和m a t l a b 中提供的o p c 工具箱 设计了简单方便的网络控制系统的仿真平台开发方法，并对平台进行测试，对结果进行 分析和展示。全文共分5 个部分。 绪论介绍了网络控制系统的定义和特点以及本文的主要研究工作。 第二章对当前被普遍采用的基于m a t l a b 的各种搭建仿真平台的方法进行介绍和比 较。 第三章详细介绍o p c 技术及其底层实现基础c o m 和d c o m 技术，对d c o m 使 用的进程间通讯协议r p c 进行了详细的架构和流程分析。 第四章介绍m a t l a b 提供的对o p c 工具箱对o p c 技术的支持，介绍o p ct o o l b o x 中模块的功能和使用方法。 第五章使用o p c 技术完成计算机间的通讯，提出了利用o p c 服务器和o p c 工具 箱搭建仿真平台，并将其应用于试验，完成其功能分析和结果展示。 大连理上人学硕士学位论文 2 基于m a t ia b 的网络控制系统仿真平台 2 1m a t l a b 环境 m a t l a b 是一种由美国m a t h w o r k s 公司出品的商业数学软件，是一种数值计算环 境和编程语言，主要包括m a t l a b 和s i m u l i n k 两大部分。m a t l a b 基于矩阵( 英语： m a t r i x ) 运算，其全称m a t r i xl a b o r a t o r y 即得名于此。它在数学类科技应用软件中在数 值计算方面首屈一指。m a t l a b 可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创 建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理 与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 虽然它以一种科学软件的面目出现，但它更像一种语言，透过工程人员比较容易理 解和学习的方式，借助积木般的构建和解决问题的方式，将目前工程和科学界重要的问 题通过软件制作成工具包。最基础的两个部分是m a t l a b 和s i m u l i n k ，但最强大的部分却 是它的工具箱，每一代m a t l a b 都会增加一些工具箱，而且很多科学家还在不断完善这 些工具箱，工具箱覆盖的科学计算和工程设计领域越来越宽泛，m a t l a b 的应用也越来越 广泛。 然而，m a t l a b 的应用越广泛，人们就越依赖于它的应用环境，人们对它的要求就越 高。同时，由于m a t l a b 程序是解释执行的，因此程序运行效率较低。此外，由于它的 开发平台的局限性用m a t l a b 开发的程序。不能脱离m a t l a b 运行环境，在处理具体应 用时，又显得灵活性不足。 对于网络控制系统来讲，因为网络作为了整个控制系统的一部分，网络控制系统有 了许多独特的特点，开发网络控制系统仿真平台的重点在于解决如何把网络的特性引入 仿真平台，现在被普遍采用的可以分为两种方式，第一种是对网络特性建模和仿真，另 外一种是将实物网络通过网络编程直接连入平台中。根据这两种不同的方式，基于 m a t l a b 的仿真方法也有所不同。 2 2 利用t r u e ti m e 开发仿真平台 m a t l a b 对第一种目前普遍使用的网络控制系统仿真研究方法与手段的支持主要是 提供网络控制系统仿真工具箱t r u e t i m e l l 0 - 1 4 。 1 9 9 9 年瑞典l t m d 工学院的d a nh e n r i h s s o n 和a n t o nc e r v i n 等学者针对网络控制系 统的仿真，提出一种名为t r u e t i m e 的网络控制系统仿真工具箱。利用这种工具箱可以 构建分布式实时控制系统的动态过程、控制任务执行以及网络交互的联合仿真环境。在 该仿真环境中，可以研究各种调度策略和网络协议对控制系统性能的影响。 基丁m a t l a b 的网络控制系统仿真平台的开发 t m e t i m e 工具箱包括6 个模块，如【墨 21 所示，而量要的足计算机模块( t r u e t i m e k e r n e l ) 、两络模块( t r u e t i m e n e t w o r k ) 。将t m e t i m e 中的模块与s i m u l i n k 中的常用模块 相连，就可以构建相应的实时控制系统或网络控制系统”。 t r u e t i m ek e r n e l 模块可用于构成网络控制系统的节点，它包含了简单但灵活的实时 内核，有a d 和d a 转换器接口、刚络接口和外部通道等。调度器与监控器的输出用 于显示仿真过程中公菇资源( c p u 、监控器、网络) 的分配。另外实时内核包括大量的数 据结构，如等待队列、时间队列、线程记录、中断处理器和计时器等。内核模块按照用 户定义的任务工作任务执行取决于内部事件与外部事件，以中断方式产生外部中断与 计算机模块的外部中断通道相连，相应的信号值改变时( 如信息到达嘲络) 中断被触发。 内部中断与定时器相关，当定时器的时间到达预定值或者任务完成时触发。当外部和内 部中断发生时，用户定义的中断旬柄被调用去执行中断服务程序。中断句柄的工作类似 f 一个任务，一个中断句柄被定义为标识符、优先级和代码函数任务的执行与中断旬 柄都是由用户编的代码函数实现，代码的编写可以采用m a t l a b 或c 十r 语占并且每次 使用该模块时，必须对其初始化。 _ 曰 图21 t r u e t i m et 具箱 f i 9 21t r u e t i m e b l o c k l i b r a r y 冒雪湖 一 大连理一i i 大学硕l 学位论文 t r u e t i m en e t w o r k 模块给网络控制系统提供了信息传递的环境。它包含多种网络参 数，如网络节点数目、传输速率以及媒体访问控制协议等。它提供的媒体访问控制协议 包括随机载波多路监听冲突检测( c s m a c d ) 、随机载波多路监听冲突避免 ( c s m a c a ) 、时分多路复用( t d m a ) 、频分多路复用( f d m a ) 以及r o t m dr o b i n 方式。网 络模块采用事件驱动方式，当有消息进出网络时，网络模块执行工作t r u e t i m e 中预定 义了多种调度策略，包括固定优先级( f p ，f i x e dp r i o r i t y ) 、单调速率( r m ，r a t em o n o t o n i c ) 、 截止期单调( d m ，d e a d l i n e m o n o t o n i c ) 和最小截止期优先( e d f ，e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t ) 。 按照选定的网络模型模拟数据的接收与发送情况，当有信息读入或发送时，该模块被触 发执行相应的功能。通常情况下，读入发送的信息应包括接收方和发送方主机节点的信 息和用户定义数据( 通常是控制信号或测量信号) 、信息总长度和实时属性参数如优先权、 截止时间等。该模块还可以方便地设定网络速度、传输控制协议以及许多其它的网络模 型参数。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主机节点的 缓冲区，并以中断的形式通知目的主机。并且每次使用该模块时，必须对其初始化。 使用t r u e t i m e 工具箱仿真网络对控制系统的影响时，可以将传感器、控制器和执 行器作为系统的3 个节点，分别用一个t r u e t i m ek e r n e l 模块仿真。传感器节点采用时 间驱动方式，它包含一个周期性任务，将定期采样的信号通过网络传送到控制器节点， 控制器和执行器节点采用事件驱动方式，控制节点处理控制信号并将结果送至执行器节 点，执行器节点执行控制信号并输出结果。为了对系统进行研究、分析，系统还可以加 入了一个通信干扰节点。 2 3 网络编程开发仿真平台 m a t l a b 7 1 之前的版本未提供支持网络通信功能的模块，所以其在网络化应用方面 受到限制，而m a t l a b s i m u l i n k 又是控制系统仿真辅助设计和仿真的有效工具，为了借 助s i m u l i n k 的先进功能，需要通过各种途径实现m a t l a b 和网络的接口，将网络与 m a t l a b 相连，完成数据在网络和m a t l a b 之间的双向交换。 v c 是微软公司提供的w i n d o w s 程序开发平台，使用v c 开发的程序具有容易维护， 界面友好，代码效率高，执行速度快等一系列优点。因此，可以将m a t l a b 和v c 结合起 来，实现网络控制系统仿真平台的开发l l 引。 建立网络控制系统仿真平台，普遍采用v c6 0 编写d l l ( 动态链接库文件) ，在 s i m u l i n k 的s f u n c t i o n 里面调用，实现s i m u l i n k 与v c + + 6 0 的接口。动态链接库( d l l ) 一直 是w i n d o w s 操作系统的基础。使用动态连接库的好处首先在于可以用熟悉的开发语言来 编写d l l ，然后用其它语言编写的可执行程序来调用这些d l l 。另外，d l l 还可以具有 基于m a t l a b 的网络控制系统仿真平台的开发 增强产品的功能，提供二次开发的平台，简化项目管理，节省磁盘空间和内存等优点。 将网络通讯封装成d l l ，给w i n d o w s 环境下的网络通讯提供了方便，同时为给网络化受 限的环境进行网络通讯提供技术支持【1 7 】。 2 3 1网络编程基础 网络编程【l8 】就是利用网络应用程序接口编写网络应用程序，实现网络应用进程间的 信息交换功能，一般来说，应用进程间的通信可以分为两种：同一系统上的应用进程问 的通信和不同系统上的应用进程间的通信。同一系统上的应用进程间的通信又成为进程 间的通信，而不同系统上的进程间通信，则必须通过网络接口编程访问网络协议提供的 服务来实现。 ( 1 ) 网络协议： 网络协议是计算机网络中互相通信的对等实体间交换信息时所必须遵守的规则的 集合。对等实体通常是指在计算机网络体系结构中处于相同层次的通信协议进程。开放 系统互连( o s i ) 模型有七层，如图所示。 图2 2 开放系统互联模型 f i g 2 2o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l 物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以 及过程特性。该层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。在这一层，数据的单位 人连理上人学硕士学位论文 称为比特( b i t ) 。属于物理层定义的典型规范代表包括：e i a t i ar s 2 3 2 、e i a t i a r s 4 4 9 、v 3 5 、r j - 4 5 等。 数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。该层的作用包括：物理地址寻 址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。在这一层，数据的单位称为帧( f r a m e ) 。 数据链路屡协议的代表包括：s d l c 、h d l c 、p p p 、s t p 、帧中继等。 网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互 连等功能。在这一层，数据的单位称为数据钮( p a c k e t ) 。网络层协议的代表包括：狰、 i p x 、r i p 、o s p f 等。 传输层是第一个端到端，印主机到主枧的层次。传输层负责将上层数据分段并提供 端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还甍处理端到端的差错控制和流量控 制问题。在这一层，数据的单位称为数据段( s e g m e n t ) 。传输层协议的代表包括：t c p 、 u d p 、s p x 等。 会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话 层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。会话层协议代表为r p c 。 表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机 的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。 应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层协议的代表包 括：t e l n e t 、f t p 、h t t p 、s n m p 等。 口) 网络编程接口： 网络通信离不开网络协议，网络编程接网访问网络协议所提供的服务，不同的网络 协议提供不同的系统访阀接因，同一隧络编程接西可熊提供访翊不同网络协议的接蠢。 如著名的网络应用编程接口一s o c k e ta p i ，支持对很多协议的访问，如t c p ( 传输控制协 议) ，u d p ( 用户数据包协议) ，m w l p ，数据链路层协议及u n i x 域协议等。 开放系统互连( o s i ) 模型将网络体系分为7 层，但并不是每一层上都提供应用程 序设计的编程接口，在完整的计算机网络系统中，仅提供了基于网络操作系统至上的编 程接墨。例如w i n d o w s 的w i n s o c k ，n e t w a r e 的i p x s p x 及n e t b i o s ( n e t w o r kb a s i c i n p u t o u t p u ts y s t e m ) 等。在这些接口上进行网络通信程序设计是最常用的方法。 n e t b i o s 是一种标准的应用程序编程接鞠( a p l ) ，是为溺络通信定义了一种编程 接口。i b m 创建了n e t b i o s 扩展用户接口( n e t b i o se x t e n d e du s e ri n t e r f a c e , n e t b e u i ) 它同n e t b i o s 接口集成在一起，终于构成了套完整的协议。由于n e t b i o s 接口变 ! 导 愈来愈流行，所以各大厂商也开始在其他如t c p i p 和l p x s p x 上的协议上实施 n e t b i o s 编程接口。 基于m a t l a b 的网络控制系统仿真平台的开发 n e t b i o s 同时提供“面向连接”的会话服务以及“无连接 的数据报服务。 n e t b i o s 编程接口对应于o s i 模型的会话层和传输层。但是n e t b i o s 不是一种“可路 由”协议，假定在客户和服务器之间需要路由，那么这种协议是不适合的。 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l ，传输控制协议网际协议) 是发展至今最成功的通信协议之一。它起源于2 0 世纪6 0 年代末美国政府资助的一个分 组交换网络研究项目a p p r a n e t ，其目的是允许分布在各地的装着不同的操作系统的 计算机相互通信，t c p i p 以其开放性的特点，成了i n t e r n e t 的基础，通过i n t e m e t 把全世 界数以千万的计算机连接在一起，是事实上的工业标准。 在w i n d o w s 环境下实现t c p i p 网络编程的接口被称为w i n s o c k e t 。w i n s o c k e 规范 并定义了如何使用a p i 与i n t e m e t 协议簇，它不仅提供了一套简单的a p i ，还包含了一 组针对w i n d o w s 的扩展库函数，以使程序员能充分的利用w i n d o w s 消息驱动机制进行 编程。w i n d o w ss o c k e t s 规范的本意在于提供给应用程序开发者一套简单的a p i ，让各个 网络软件供应商共同遵守。所有的w i n d o w ss o c k e t s 实现都支持流套接字和数据报套接 字。 常规的网络编程接口一般无法访问到底层的网络协议，n e t b i o s 主要工作在会话层 和传输层，而w i n s o c k 工作在t c p 口协议的传输层。两者都无法对传输层以下的网络 协议进行直接操作。还有两种方法可以进行网络编程，一种是提供在链路层或网络层的 编程的直接网络接口，需要了解底层网络协议及其协议数据单元。另一种是基于物理设 备的网络编程接口也成为m a c 层编程接口，在这种编程接口上进行网络编程设计，需 要对网络接口控制器( n i c ) 进行程序编程控制。由于没有提供现成的程序接口，因此 所有的功能实现都必须自行设计。这两种编程方法难度很大，一般不会被采用。 网络编程接口是依赖于协议的，通常情况下，一个协议提供的面向连接( 会话) 和 无连接( 数据报) 两种通信服务。如n e t b i o s 和t c p i p 协议都提供了这两种服务。 在面向连接的服务中，通信双方在数据交换之前必须先建立一条路径，这样既能确 定通信双方之间存在路由，又能保证通信双方是活动的、可以彼此相应的、传送数据是 按序传送的，从而保证数据通信的可靠性。一般来说，面向连接的服务分为三个阶段： 连接建立、数据传送和连接释放。面向连接服务比较适合于一段时间间隔内要向同一