基于Simulink的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真實現(xiàn)

摘要：實現(xiàn)了基于Simulink/Real-Time Workshop（RTW）的嵌入式網(wǎng)絡(luò)化控制仿真系統(tǒng)，構(gòu)建了以ARM7TDMI型CPU為核，運行uClinux操作系統(tǒng)的嵌入式平臺。建立了廣域網(wǎng)范圍的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過延時測量實驗獲得了網(wǎng)絡(luò)延時統(tǒng)計特性，并針對該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分布式控制系統(tǒng)的前向通道和反饋通道分別提出了延時補償方法。同時系統(tǒng)還為用戶提供了離線仿真，和通過網(wǎng)絡(luò)在線指導(dǎo)現(xiàn)場控制的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。最后以直流電機為被控對象，在廣域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)實驗，驗證了該系統(tǒng)的有效性。

引言

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，通過網(wǎng)絡(luò)形成閉合回路，各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)和信息的交換需要網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。它是將當(dāng)今先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，計算機技術(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，過程控制和樓宇自動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。國際上新頒布的IEC61158現(xiàn)場總線標(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。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，因而對它的分析設(shè)計也通常從控制和網(wǎng)絡(luò)兩個角度進(jìn)行。從網(wǎng)絡(luò)角度考慮，一般是對通信協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，解決延時，丟包，亂序等網(wǎng)絡(luò)帶給控制系統(tǒng)的問題，減小對控制系統(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)計控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，開發(fā)控制算法，補償網(wǎng)絡(luò)延時，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。結(jié)合對無刷直流電機的控制試驗實例，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)平臺構(gòu)架

本系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為硬件平臺，其硬件構(gòu)架如圖1。該嵌入式系統(tǒng)硬件平臺選用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)建較大的存儲空間。為了降低整個系統(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 時鐘發(fā)生器和2個定時器等。

系統(tǒng)選用HY29LV160作為FLASH存儲器，每片提供1M×16位的存儲空間，兩片并聯(lián)構(gòu)成1M×32位的代碼存儲空間；選用HY57V641620作為SDRAM存儲器，每片提供4M×16位的存儲空間，兩片并聯(lián)構(gòu)成4M×32位的代碼運行空間，相對較大的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提供外部時鐘信號，通過內(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提純的功能，因此，系統(tǒng)可以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，最高可達(dá)50MHz。

此外，目標(biāo)系統(tǒng)還擴展了8路16位高速A/D和2路12位高速D/A，為被控對象提供控制接口。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)，這是一個完全符合GNU/GPL（通用公共許可證）公約的項目和完全開放代碼，是標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個分支，專用于沒有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）實現(xiàn)，代碼采用C 語言編寫，主要有UDP/IP，TCP/IP 兩種通信協(xié)議模塊，同步機制模塊，延時測量模塊，控制算法模塊和延時補償模塊。

內(nèi)核模塊包括讀模塊，寫模塊，訪問系統(tǒng)硬件平臺片上外圍和擴展硬件資源的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)場的用戶及時掌握控制系統(tǒng)的運行狀況。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?？蛻舳颂峁┡c用戶的交互，由VC++編寫實現(xiàn)，運行在Windows 操作系統(tǒng)的PC 主機，主要實現(xiàn)2 個功能：控制和監(jiān)視。控制功能響應(yīng)來自用戶的動作，如通過網(wǎng)絡(luò)修改遠(yuǎn)程的控制器參數(shù)，查看過程變量實時數(shù)值；監(jiān)視功能為用戶顯示變量實時趨勢圖。服務(wù)器端運行在嵌入式系統(tǒng)平臺，由ANSI C 編程實現(xiàn)，主要處理來自客戶端的各種命令請求，并作出相應(yīng)的操作，使客戶端的用戶通過網(wǎng)絡(luò)實現(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 實現(xiàn)通訊的監(jiān)控流程如圖2 所示。

系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Simulink/Real-time Workshop實現(xiàn)仿真系統(tǒng)中運行在嵌入式平臺的代碼部分。

Simulink是Mathworks公司推出的，用于控制算法設(shè)計和系統(tǒng)動態(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框圖自動生成優(yōu)化的Ｃ語言代碼，結(jié)合與目標(biāo)硬件相關(guān)的接口模塊，實現(xiàn)對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中解脫，縮短程序開發(fā)周期。

嵌入式硬件平臺的應(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，編譯和鏈接在PC 機（通常運行有Linux）上進(jìn)行，最終生成的可執(zhí)行代碼運行在嵌入式系統(tǒng)中，這個過程為交叉編譯過程。

利用RTW 實現(xiàn)將Simulink 的框圖生成在仿真系統(tǒng)的嵌入式平臺上運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)上運行等一系列過程將在幾分鐘內(nèi)自動完成。

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

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。

延時特性分析及補償方法

網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計比傳統(tǒng)的點對點控制復(fù)雜的主要原因在于網(wǎng)絡(luò)延時。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)膶崟r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)中的多個節(jié)點共享，使控制系統(tǒng)中的實時信息不能及時傳送，加之包交換的網(wǎng)絡(luò)間延時的不確定性，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)化控制仿真平臺要提供對真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的模擬必須首先明確網(wǎng)絡(luò)延時的特點。

延時分布特性

往返時間round trip time 簡稱為rtt，是指小數(shù)據(jù)包從網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點A 發(fā)出，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)目的節(jié)點B 后又返回到A 所用的時間。本文在實驗裝置所訪問的廣域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行rtt測量，以便從測量數(shù)據(jù)中分析得到延時分布特性。測量使用仿真系統(tǒng)的延時測量模塊。該模塊采用Van Jacobson 提出的高精度測時思想，用Simulink 系統(tǒng)函數(shù)實現(xiàn)。

圖4 是在網(wǎng)絡(luò)處于正常條件下，實際測得實驗裝置所使用的廣域網(wǎng)的rtt 分布。測量進(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)，為理論分析的簡化，將測得的延時近似為低通白噪聲，這可由低通白噪聲對功率譜密度的定義

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

相對于具有較大截止頻率，即時間常數(shù)較大，動態(tài)響應(yīng)較慢的系統(tǒng)，由于允許的采樣周期較長，該數(shù)量級的網(wǎng)絡(luò)延時對控制系統(tǒng)的影響也許可以忽略，但當(dāng)被控對象為快速響應(yīng)系統(tǒng)時，網(wǎng)絡(luò)延時的數(shù)量級很可能等于甚至遠(yuǎn)大于控制系統(tǒng)的采樣周期，此時必須對延時進(jìn)行補償以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

延時補償方策略

由于延時的不確定性，在網(wǎng)絡(luò)化控制中，無法保證在一個采樣周期內(nèi)恰有相應(yīng)時刻的信號到來，可能在該采樣周期沒有收據(jù)，即空采樣，也可能收到多個收據(jù)，即多采樣，還可能收到被延時的數(shù)據(jù)，即延時采樣。為此，仿真系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的前向和反饋通道的延時分別進(jìn)行了補償。

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

為和傳統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)一致，仿真系統(tǒng)中的控制器，傳感器和執(zhí)行器節(jié)點均采用時間驅(qū)動方式，即設(shè)備工作由時鐘控制，按照一定的周期來執(zhí)行操作。

前向通道延時補償

執(zhí)行器的接收端開辟有緩存區(qū)，控制器節(jié)點采用基于模型的預(yù)測控制算法，在一個周期內(nèi)計算包括當(dāng)前時刻的控制時域步的控制信號，連同該采樣時刻的時間戳信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給執(zhí)行器。執(zhí)行器在采樣周期到來時，根據(jù)收到的控制信號的情況做出相應(yīng)的處理。具體補償方法如下。

控制器以廣義預(yù)測控制GPC（Generalized PredictiveControl）作為控制算法，被控對象模型采用受控自回歸積分滑動平均模型（CARIMA），用下列離散差分方程描述：

d 為被控對象時延，  Δ= 1-z-1 表示差分算子， ω（t ） 是隨機變量序列。最優(yōu)控制軌跡是通過最小化式（5）所表達(dá)的性能指標(biāo)函數(shù)得到的：

其中N1 和N2 代表最小和最大預(yù)測時域長度，M為控制時域長度， ρ為控制增量加權(quán)因子，定義P=N2 -N1。） （ ?y（ t+i） 為模型預(yù)測輸出，yr（t+i） 為輸出參考軌跡， 對于i=1,2,   Λ，N2-N1，有丟番圖（Diophantine）方程：

階和max（na.nc-i ，nb-i）階，（i-1）階和max（nc-1），（nb-1）階多項式。

在t時刻的最優(yōu)控制律軌跡為：

在執(zhí)行周期l，執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)收到的控制信號執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，由于網(wǎng)絡(luò)延時的存在，當(dāng)前時刻的控制信號可能無法到達(dá)，執(zhí)行器根據(jù)緩存區(qū)存儲的控制信號，利用時間戳信息，使用離當(dāng)前時刻最近的控制信號對該時刻的預(yù)測值即，

反饋通道延時補償

在反饋通道加入帶有接收緩存的預(yù)測器，緩存區(qū)存放輸入輸出歷史數(shù)據(jù)和相應(yīng)時間戳信息。傳感器在一個采樣周期內(nèi)完成對被控對象的輸出采樣，并通過網(wǎng)絡(luò)傳送采樣值，控制信號以及時間戳信息。預(yù)測器在采樣周期內(nèi)，如果沒有收到傳感器從網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的相應(yīng)時刻的采樣信號，將利用緩存區(qū)數(shù)據(jù)估算采樣信號以供控制器進(jìn)行控制信號計算。

預(yù)測器采用受控自回歸模型ARX對采樣信號進(jìn)行預(yù)測，其模型原型為：

對于模型參數(shù)（10）的求解，可在Simulink下根據(jù)實驗測得的延時分布特性，選取符合延時分布規(guī)律的隨機信號模塊模擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在前向和反饋通道上通過TCP/IP模塊實現(xiàn)控制器到執(zhí)行器，傳感器到控制器的連接，組成閉合網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)仿真框圖，進(jìn)行離線仿真，收集一系列輸入輸出數(shù)據(jù)，利用漸消記憶的遞推最小二乘（13）-（15）求出。

仿真實例

本節(jié)以一直流無刷電機為例，驗證使用本仿真系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制實驗的有效性。通過頻率響應(yīng)法進(jìn)行電機模型開環(huán)辨識，得到被控對象的CARIMA 模型為：

其中y 表示電機轉(zhuǎn)速，u 表示控制電壓。

使用Simulink 進(jìn)行離線仿真，網(wǎng)絡(luò)間延時用均勻分布的延時模塊模擬，求得ARX 模型為：

控制算法采用控制時域步長為7 的廣義預(yù)測控制，利用Simulink 和仿真系統(tǒng)提供的模塊分別組成圖6 中虛線所包圍的A，B 兩部分，按照上述步驟，將框圖分別下載到位于不同物理空間的硬件平臺運行，控制系統(tǒng)中各節(jié)點的數(shù)據(jù)在該選項卡中設(shè)置固定步長和仿真停止時間，選擇積分求解器；單擊Real－Time Workshop 標(biāo)簽，在該選項卡中設(shè)置系統(tǒng)目標(biāo)文件，模板聯(lián)編文件，Make 命令等，在Category 下拉列表中選擇xPC Targetgeneration options 選項，可以設(shè)置緩沖區(qū)大小，目標(biāo)對象名字等。

（4）創(chuàng)建和下載目標(biāo)應(yīng)用程序。設(shè)置完仿真參數(shù)，在Simulink 模型窗口中按Ctrl＋B，就可以生成C 代碼，并對其編譯、連接生成可執(zhí)行的目標(biāo)應(yīng)用程序，并自動將其下載到目標(biāo)機上。

（5）控制目標(biāo)應(yīng)用程序以及信號跟蹤。目標(biāo)應(yīng)用程序下載完成之后，在MATLAB 窗口輸入＋tg（或－tg）或者在目標(biāo)機命令行輸入start（或stop）可以啟動（或停止）目標(biāo)應(yīng)用程序。在Simulink 模型中添加xPC Target Scope 模塊，可以在目標(biāo)機上添加示波器，顯示需要的信號。

結(jié)論

本文研究了基于MATLAB/xPC，設(shè)計一個半物理實時仿真平臺的方法。該平臺將飛輪、三軸轉(zhuǎn)臺、陀螺等實物接入實時仿真系統(tǒng)，構(gòu)成了一個衛(wèi)星姿態(tài)控制半物理實時仿真系統(tǒng)，根據(jù)仿真試驗結(jié)果，該實時仿真系統(tǒng)的實驗結(jié)果與Simulink 非實時數(shù)學(xué)仿真結(jié)果基本一致，而且系統(tǒng)的實時性也能夠滿足要求。該實時仿真平臺符合設(shè)計要求，有利于衛(wèi)星姿態(tài)控制的研究。