基于Wi-Fi的无线网络控制系统的仿真研究

曾山，翁正新

0 引言

Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线保真）是近十年来最具代表性的无线网络技术之一。严格来说，Wi-Fi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟（Wi-Fi Alliance）所持有，目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。

现在，人们已经习惯将Wi-Fi和IEEE 802.11标准等同了起来。Wi-Fi源于第一版的IEEE 802.11标准——IEEE于1997年起制定的一种无线局域网（Wireless Local Area Network, WLAN）标准，其中定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。经过10余年的发展和完善，802.11标准相继出现了很多补充版本，当前最流行的应属802.11b/g两个版本。

近年来，网络控制系统一直是控制界的热门研究方向，但目前国内外对基于 Wi-Fi的无线网络控制系统（Wireless Networked Control Systems, WNCS）方面的研究还很有限。所以本文试图基于802.11b/g 标准，以直连方式（Ad Hoc[1]）来构建无线网络控制系统仿真模型，研究其可行性和控制性能，并分析网络传输速率、采样周期等网络性能指标对系统控制性能的影响。

1 无线网络控制系统（WNCS）

WLAN（Wireless LAN，无线局域网）准确表达了其名称的含义：WLAN提供了传统的LAN技术（例如以太网和令牌环）的全部特性和优点，而它不受线路和电缆的限制。区域的度量单位也不再是米，而是千米。基础设施不必埋在地里或藏在墙上，而是能随组织而移动或改变[2]。而且，现在的WLAN技术已经能够支持LAN运行所需要的数据速率和互操作性，设备成本也大幅降低到与商务和家庭网络中有线LAN连接所需费用同等的级别。正是因为WLAN具备了上述适合移动、灵活便利和低成本等优点，使得以 Wi-Fi（IEEE 802.11）为代表的无线网络技术蓬勃发展，成为了研究和应用的热门方向。

WLAN的这些优点也被吸收到网络控制系统中，从而形成了 WNCS。对于被控对象为可以运动的或者对象所处的环境，难以用有线网络方式连接的场合，WNCS起着不可替代的作用。

在WNCS中，被控对象、传感器、控制器和执行器可以分布在不同的物理位置，且传感器到控制器之间及控制器到执行器之间，均通过无线方式连接，其典型系统结构如图1所示。

图1 典型无线网络控制系统结构框图

控制系统采用无线网络进行通信，可以免去大量的线路连接，节省系统的构建费用和维护成本，还可以满足一些特殊场合的需求，并且可以大大增强系统组成的灵活性等。但是，在控制系统中引入通信网络后，网络的性能和约束与控制器的性能和约束变得同样重要[3]。不管是有线网络还是无线网络，NCS都具有时延和丢包的特性，只是这些问题在WNCS中往往更加明显和严重。因此对系统进行分析和控制时，必须考虑时延、丢包和干扰等基本问题。

2 TrueTime工具箱

仿真是系统设计开发过程中，经常用到的一种有效手段，因此仿真环境，对系统设计过程有着直接影响。对于WNCS来说，仿真环境应该能同步仿真出各节点中产生的运算、节点之间的无线通信过程以及传感器/执行器的动态特性。而且，为了模拟系统的各种限制条件（如电源功耗等），仿真模型也应该能尽量真实[4]。

TrueTime是基于MATLAB/Simuhnk的联合仿真工具，专门用来仿真分布式的实时控制系统和网络控制系统。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，还可以很方便地模拟数据传输率、包的大小和丢包率等网络参数，有利于分析各类参数对NCS的性能影响。

在1.5版本的TrueTime工具箱中包括了6个基本模块[5]，如图2所示。

图2 TrueTime工具箱（1.5版本）基本模块

TrueTime中的模块与Simulink中的模块相连，就可以构建相应的实时控制系统或网络控制系统。其中，TrueTime Kernel模块，具有灵活的事件驱动的实时内核、A/D以及D/A转换器、网络接口以及外部中断通道，能仿真实现一台控制计算机的功能。而TrueTime Wireless Network模块，则是WNCS中另一最重要的模块，采用事件驱动的方式仿真实现无线网络的功能。当前该模块支持两种无线网络协议，即 IEEE 802.11b/g（Wi-Fi）和 IEEE 802.15.4（ZigBee）。

3 仿真实例

下面以一个典型无线网络控制系统的单位阶跃响应为仿真实例，分析和研究网络传输速率、采样周期、网络带宽等网络性能指标对系统控制性能的影响。

考虑如下的直流伺服电机模型为被控对象

采用如下的离散PID控制器

利用TrueTime工具箱的模块以及Simulink，构建无线网络控制仿真模型，如图3所示。

图3 WNCS仿真模型

该模型包含两个计算机节点和一个Wireless Network模块。两个计算机节点，分别表示传感器/执行器节点和控制器节点，节点均由 TrueTime Kernel模块与TrueTime Battery模块组成。设此两节点相距20米，它们通过Wireless Network模块进行通信。

通过 M 程序和模块配置对话框，对各计算机节点及Wireless Network模块进行初始化，定义传感器为时间驱动，执行器和控制器均为事件驱动。Wireless Network模块配置中，选择IEEE 802.11b/g（WLAN）协议，即基于Wi-Fi进行WNCS仿真研究。此时，Wireless Network模块默认数据传输速率（Data Rate）为 800kbps，传输功耗（Transmit Power）为100mW。

首先分析数据传输速率对WNCS控制性能的影响。对于一般的有线网络控制系统（NCS），信号通过有线物理介质传输，传输速率稳定性可以得到很大保障。而对于WNCS而言，信号经由电磁波形式在空中传输，来自各方的干扰和障碍都将导致其信号传输速率的不稳定。因此，考虑传输速率对WNCS控制性能的影响是非常必要的。

仿真结果如图4、图5所示，数据传输速率对 WNCS控制性能影响很大。当传输速率为800kbps（默认）时，系统响应良好，很快实现了无静差跟随；而当传输速率下降到100kbps时，系统超调变得很大，系统濒临不稳定。

图4 传输速率为800kbps

图5 传输速率为100kbps

由图4、图5可知，数据传输速率越快，系统控制性能越好。当传输速率为800kbps（默认）时，系统响应良好，很快实现了无静差跟随；而当传输速率下降到100kbps时，系统超调过大，系统濒临不稳定状态。这说明WNCS对网络传输速率的依赖。

图6 采样周期h为0.004s

图7 采样周期h为0.04s

由图6、图7可知，当采样周期h过大或过小时，系统的控制性能都不理想。这是因为当采样周期过大，即采样频率过低时，信息不能得到充分采集，导致系统控制性能下降，响应震荡加剧，系统濒临不稳定状态；当采样周期过小，即采样频率过高时，由于网络传输能力有限，导致网络负荷过大，采集后发送出的信息容易拥塞，导致延时以及丢包现象严重，使得 PID控制器不但不能很好地控制对象，反而加剧了系统的振荡，使系统处于不稳定的状态。

4 结论

无线网络控制系统是自动控制领域一个崭新的研究方向，其理论还很不完善，值得研究的方向也很多，给控制界带来了新的机遇和挑战。针对这种情况，本文利用TrueTime工具箱及Matlab/Simulink仿真环境，在基于Wi-Fi的无线网络环境的控制器设计以及无线网络控制系统的仿真方面进行了研究，证明了该系统的可行性，也分析了网络性能指标如网络数据传输速率、采样周期等对控制系统性能的影响。

[1] 郑少仁,王海涛,赵志峰等. Ad Hoc网络技术[M] .北京:人民邮电出版社,2005.

[2] Cisco Systems公司.思科网络技术学院教程—无线局域网基础[M] .北京:人民邮电出版社,2005.

[3] 彭丽萍,岳东.基于 TrueTime的无线网络控制系统仿真设计[J] .现代电子技术,2008,24(36): 115-118.

[4] Andersson M, Henriksson D, Cervin A, Arzen K.Simulation of Wireless Networked Control Systems[C] .∥IEEE Industrial Electronics Society. Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control 2005, and the European Control Conference 2005. Seville, Spain.:IEEE Press, 2005: 476.

[5] Andersson M, Henriksson D, Cervin A, Arzen K.TrueTime 1.5 Reference Manual[R] . Department of Automatic Control ,Lund University ,Sweden ,2007.