基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS（Networked Control SystEMS）是指控制系統(tǒng)的各智能設(shè)備即傳感器，控制器和執(zhí)行器分布在不同地域空間，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)形成閉合回路，各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)和信息的交換需要網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。它是將當(dāng)今先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)融為一體的分布式控制系統(tǒng)。雖然網(wǎng)絡(luò)化控制在工業(yè)控制，過(guò)程控制和樓宇自動(dòng)化等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的理論研究卻相當(dāng)不成熟[1]。本文利用在工程領(lǐng)域廣泛使用的Simulink 仿真軟件，結(jié)合軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用成熟的嵌入式微處理器構(gòu)架開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)，為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的理論研究提供了有利工具。

由于目前工業(yè)控制領(lǐng)域使用的通信技術(shù)都是自成體系、互不開放的。國(guó)際上新頒布的IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)包括了8種不同的類型，要使它們之間互相兼容和互可操作幾乎是不可能的。因此，積極采用以太網(wǎng)技術(shù)已成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。目前基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)得到了全世界自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)W者們的關(guān)注。鑒于此，本文所開發(fā)的仿真系統(tǒng)是專為基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化控制而設(shè)計(jì)的。

由于網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)是控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，因而對(duì)它的分析設(shè)計(jì)也通常從控制和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)角度進(jìn)行。從網(wǎng)絡(luò)角度考慮，一般是對(duì)通信協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，解決延時(shí)，丟包，亂序等網(wǎng)絡(luò)帶給控制系統(tǒng)的問(wèn)題，減小對(duì)控制系統(tǒng)的影響；從控制角度出發(fā)，則是在已有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議下，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，開發(fā)控制算法，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。本仿真系統(tǒng)是從控制的角度設(shè)計(jì)的。

本文建立了以32位嵌入式RISC（Reduced Instruction Set Computer）微處理器結(jié)構(gòu)ARM7TDMI S3C4510B為CPU核，基于Simulink/RTW開發(fā)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)平臺(tái)。結(jié)合對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制試驗(yàn)實(shí)例，闡述了本仿真系統(tǒng)的具體應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)架

本系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為硬件平臺(tái)，其硬件構(gòu)架如圖1。該嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)選用Samsung 公司的基于ARM7TDMI核芯的S3C4510B微處理器作為嵌入式系統(tǒng)的CPU。S3C4510B 32位嵌入式RISC微控制器是為基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供的低成本高性能的微控制器。它支持8位、16位和32位尋址方式，具有16M×32位的尋址能力，可方便的構(gòu)建較大的存儲(chǔ)空間。為了降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，S3C4510B將外圍設(shè)備和處理器內(nèi)核集成在一塊芯片上，提供片上外圍設(shè)備主要有2通道UART，2通道HDLC，1通道MII接口，Ethernet控制器，中斷控制器，JTAG接口，PLL?時(shí)鐘發(fā)生器和2個(gè)定時(shí)器等。

基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)選用HY29LV160作為FLASH存儲(chǔ)器，每片提供1M×16位的存儲(chǔ)空間，兩片并聯(lián)構(gòu)成1M×32位的代碼存儲(chǔ)空間；選用HY57V641620作為SD RAM存儲(chǔ)器，每片提供4M×16位的存儲(chǔ)空間，兩片并聯(lián)構(gòu)成4M×32位的代碼運(yùn)行空間，相對(duì)較大的RAM空間有利于提高系統(tǒng)性能和執(zhí)行較復(fù)雜的控制算法。有源晶振為S3C4510B提供外部時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）電路，作為系統(tǒng)的工作頻率，PLL兼有頻率放大和信號(hào)提純的功能，因此，系統(tǒng)可以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，最高可達(dá)50MHz。

此外，目標(biāo)系統(tǒng)還擴(kuò)展了8路16位高速A/D和2路12位高速D/A，為被控對(duì)象提供控制接口。用100M/10M高速以太網(wǎng)物理層收發(fā)器DM9161擴(kuò)展以太網(wǎng)控制器。4×4的鍵盤和數(shù)碼管顯示為系統(tǒng)提供了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試手段。

ARM7TDMI構(gòu)架的CPU不帶MMU即內(nèi)存管理單元，可選用uClinux作為相應(yīng)的操作系統(tǒng)，這是一個(gè)完全符合GNU/GPL（通用公共許可證）公約的項(xiàng)目和完全開放代碼，是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個(gè)分支，專用于沒(méi)有MMU的CPU，并且為嵌入式系統(tǒng)做了許多小型化的工作，具有內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持多種文件系統(tǒng)，編譯后內(nèi)核目標(biāo)文件在600KB左右。

仿真系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本仿真系統(tǒng)為用戶提供網(wǎng)絡(luò)和內(nèi)核兩類接口模塊。網(wǎng)絡(luò)模塊由Simulink 提供的專為用戶自行開發(fā)代碼的系統(tǒng)函數(shù)（S-Function）實(shí)現(xiàn)，代碼采用C 語(yǔ)言編寫，主要有UDP/IP，TCP/IP 兩種通信協(xié)議模塊，同步機(jī)制模塊，延時(shí)測(cè)量模塊，控制算法模塊和延時(shí)補(bǔ)償模塊。

內(nèi)核模塊包括讀模塊，寫模塊，訪問(wèn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)片上外圍和擴(kuò)展硬件資源的I/O 模塊，如A/D 模塊，D/A 模塊，外部中斷源模塊，定時(shí)器模塊等。內(nèi)核模塊除用系統(tǒng)函數(shù)完成用戶空間編程外，還需在uClinux 中進(jìn)行內(nèi)核空間編程。

此外，仿真系統(tǒng)還提供了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能，使不在控制現(xiàn)場(chǎng)的用戶及時(shí)掌握控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。該功能主要由客戶端和服務(wù)器兩部分完成，即構(gòu)成Client/Server 模式。客戶端提供與用戶的交互，由VC++編寫實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行在Windows?操作系統(tǒng)的PC 主機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)2 個(gè)功能：控制和監(jiān)視。控制功能響應(yīng)來(lái)自用戶的動(dòng)作，如通過(guò)網(wǎng)絡(luò)修改遠(yuǎn)程的控制器參數(shù)，查看過(guò)程變量實(shí)時(shí)數(shù)值；監(jiān)視功能為用戶顯示變量實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖。服務(wù)器端運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，由ANSI C 編程實(shí)現(xiàn)，主要處理來(lái)自客戶端的各種命令請(qǐng)求，并作出相應(yīng)的操作，使客戶端的用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各種監(jiān)控功能。使用TCP/IP 協(xié)議，客戶端采用WinSocket 服務(wù)器端采用Socket 實(shí)現(xiàn)通訊的監(jiān)控流程如圖2 所示。

基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Simulink/Real-time Workshop實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)中運(yùn)行在嵌入式平臺(tái)的代碼部分。

Simulink是Mathworks公司推出的，用于控制算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模的可視化仿真分析環(huán)境，其Real-TimeWorkshop（RTW）工具箱能根據(jù)所組建的Simulink框圖自動(dòng)生成優(yōu)化的Ｃ語(yǔ)言代碼，結(jié)合與目標(biāo)硬件相關(guān)的接口模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)Simulink描述的控制系統(tǒng)的仿真，使用戶從編寫代碼的繁冗勞動(dòng)中解脫，縮短程序開發(fā)周期。

嵌入式硬件平臺(tái)的應(yīng)用程序開發(fā)與傳統(tǒng)開發(fā)有所不同。受嵌入式系統(tǒng)有限資源的限制，應(yīng)用程序的開發(fā)一般采用主從模式，即程序的設(shè)計(jì)，編譯和鏈接在PC 機(jī)（通常運(yùn)行有Linux）上進(jìn)行，最終生成的可執(zhí)行代碼運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)中，這個(gè)過(guò)程為交叉編譯過(guò)程。

利用RTW 實(shí)現(xiàn)將Simulink 的框圖生成在仿真系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行程序的主要步驟為：

1）編寫通用的與Simulink 框圖接口的網(wǎng)絡(luò)程序；

（2）在裝有Matlab 的PC 機(jī)上安裝交叉編譯工具鏈arm-elf-gCC，包括編譯器，鏈接器，二進(jìn)制工具等；

（3）在Simulink 中構(gòu)建被控系統(tǒng)的仿真框圖；

（4）根據(jù)目標(biāo)硬件的不同，修改RTW 中集成的makefile模板文件，并將在（1）中編寫的代碼，加入到編譯鏈接的源碼列表，修改系統(tǒng)目標(biāo)文件；

（5）打開相應(yīng)RTW 對(duì)話框，選中要使用的系統(tǒng)目標(biāo)文件后，代碼的生成，編譯，下載及在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行等一系列過(guò)程將在幾分鐘內(nèi)自動(dòng)完成。

圖3 描述了仿真系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)及Simulink/RTW 實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用程序的過(guò)程。

由于Matlab 軟件通常安裝在Windows 操作系統(tǒng)，為保證交叉編譯的順利進(jìn)行，安裝軟件Cygwin，以提供在Windows 下的虛擬Linux 環(huán)境。

基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

延時(shí)特性分析及補(bǔ)償方法

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制復(fù)雜的主要原因在于網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。在采用以太網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中，雖然以太網(wǎng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性隨著快速以太網(wǎng)和交換式以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展得到了解決，但由于有限的網(wǎng)絡(luò)資源被網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)節(jié)點(diǎn)共享，使控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)信息不能及時(shí)傳送，加之包交換的網(wǎng)絡(luò)間延時(shí)的不確定性，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的控制性能，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，網(wǎng)絡(luò)化控制仿真平臺(tái)要提供對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬必須首先明確網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的特點(diǎn)。

延時(shí)分布特性

往返時(shí)間round trip time 簡(jiǎn)稱為rtt，是指小數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)A 發(fā)出，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)B 后又返回到A 所用的時(shí)間。本文在實(shí)驗(yàn)裝置所訪問(wèn)的廣域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行rtt測(cè)量，以便從測(cè)量數(shù)據(jù)中分析得到延時(shí)分布特性。測(cè)量使用仿真系統(tǒng)的延時(shí)測(cè)量模塊。該模塊采用Van JaCOBson 提出的高精度測(cè)時(shí)思想，用Simulink 系統(tǒng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖4 是在網(wǎng)絡(luò)處于正常條件下，實(shí)際測(cè)得實(shí)驗(yàn)裝置所使用的廣域網(wǎng)的rtt 分布。測(cè)量進(jìn)行了1000 次，其均值為0.3877s，均方差為0.0106s。從頻域角度分析，得到的功率譜密度如圖5 所示。根據(jù)帶限白噪聲定義，即功率譜密度函數(shù)僅在某些有限頻率范圍內(nèi)取異于零的常數(shù)，為理論分析的簡(jiǎn)化，將測(cè)得的延時(shí)近似為低通白噪聲，這可由低通白噪聲對(duì)功率譜密度的定義

可知。Srinivasagupta 也指出將大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)近似為白噪聲是合理的。

　　相對(duì)于具有較大截止頻率，即時(shí)間常數(shù)較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢的系統(tǒng)，由于允許的采樣周期較長(zhǎng)，該數(shù)量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)的影響也許可以忽略，但當(dāng)被控對(duì)象為快速響應(yīng)系統(tǒng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的數(shù)量級(jí)很可能等于甚至遠(yuǎn)大于控制系統(tǒng)的采樣周期，此時(shí)必須對(duì)延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　延時(shí)補(bǔ)償方策略

　　由于延時(shí)的不確定性，在網(wǎng)絡(luò)化控制中，無(wú)法保證在一個(gè)采樣周期內(nèi)恰有相應(yīng)時(shí)刻的信號(hào)到來(lái)，可能在該采樣周期沒(méi)有收據(jù)，即空采樣，也可能收到多個(gè)收據(jù)，即多采樣，還可能收到被延時(shí)的數(shù)據(jù)，即延時(shí)采樣。為此，仿真系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的前向和反饋通道的延時(shí)分別進(jìn)行了補(bǔ)償。

　　信息在網(wǎng)絡(luò)間傳輸?shù)母袷綖椋簳r(shí)間戳+對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值。由于仿真系統(tǒng)提供了同步機(jī)制模塊，為簡(jiǎn)化編程，可在發(fā)送時(shí)間信息時(shí)，只發(fā)送相應(yīng)的周期索引值而非硬時(shí)鐘值。圖6 描述了仿真系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)補(bǔ)償策略。

基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)