面向控制与通信融合系统的模块化仿真和实验平台

项目背景

在网络化控制系统的研究上，理论研究之外，仿真和实验是必要的辅助手段，需要加以发展。

控制/通信融合系统的仿真和实验与一般的控制系统仿真不同，因为从最根本的要求上，这需要控制和通信两个领域的融合。控制系统的仿真和实验可以有不同的抽象层次：写成一个微分/差分方程，在Simulink里搭建模块，或者直接用实物实验。同样，通信系统的仿真实验也有不同抽象层次：可以简单简化为时延和丢包等控制系统参数，也可以用专用的通信仿真工具做网络仿真，也可以直接用实际网络做实验。不同的抽象层次有不同抽象层次的作用：越为简化的，越可以不受其他不可控因素影响考虑所简化的那一点的作用，但可能会跟真实系统有所偏差；而越为复杂的，越可以考虑更为真实的系统的实际响应，然而往往复杂的模型里面会有很多并不受控的因素在内，因此仿真和实验所应具有的对理论验证的确定的有效性反而少了。

不同的控制系统抽象层次和不同的通信系统抽象层次的结合就造成了很多种不同的控制/通信融合系统的仿真和实验方法。而这些方法都有各自的作用，并非可以互相替代。其基本理由在于如上所述的不同仿真/实验抽象层次的优缺点。比如，想考虑在确定的通信影响下控制系统的性能，就以最简单的通信仿真为好，并不需要也不应该用复杂不可控的通信仿真甚至实验。反之，要考虑某个MAC协议参数对控制系统影响，就至少需要专用通信网络仿真甚至要做实验，简单的时延丢包的网络假设就是不足够的。

上面的仿真和实验的要求就造成了我们这个项目的基本初衷：一个模块化的控制/通信融合系统的仿真/实验平台。

项目目标和要求

项目的总体目标是建成一个完整的、模块化的控制／通信融合系统的仿真／实验平台。具体目标如下。

• 在底层，实现任一抽象层次的控制仿真和任一抽象层次的通信仿真之间的融合。
• 在上层，给予终端使用者易用的界面：只需要较为简单的常识，就可以进行任意想要的仿真和实验。
• 特性上，模块化和可拓展的的平台：新的硬件实验系统可以方便的加到这一平台上，新的仿真软件的融合也可以方便的加到这一平台上。

研究成果

Theses

1. 基于NS3和MATLAB的网络化控制系统协同仿真平台设计 顾慧卿 浙江工业大学, 杭州 2019 [Abs] [pdf]

   伴随着控制和通信技术的不断革新，网络化控制系统已经成为控制领域的研 究热点之一，通过仿真软件进行算法验证逐渐成为网络化控制系统研究的重要环 节。然而网络化控制系统是结合网络通信和控制两大特征的系统，传统的网络化 控制系统仿真工具对这类结合交叉领域的系统无法进行有效地精确仿真，这就需 要不同领域的仿真软件之间建立纽带，使不同的工具一起协同工作，各自负责系 统中各自专长的部分。因此，设计并开发网络化控制系统协同仿真平台具有相当 重要的现实意义。 本文深入分析了通信网络与控制系统仿真软件的特性，基于网络化控制系统 仿真平台的研究现状，选取了两种普遍使用的仿真软件，分别是能够胜任物理仿 真器的 MATLAB， 以及在网络通信领域近年来快速发展的 NS3 作为网络仿真器， 构建了一种新型的网络化控制系统仿真平台。本文的主要工作如下： (1) 设计了协同仿真平台的总体方案，确定了仿真平台依赖的各软件模块与 协同仿真架构的主导方式。以此设计了一个合适的系统架构，在该架构下两个软 件能够互相通信，同时也实现了单仿真器内部各模块之间的通信。 (2) 设计了仿真平台软件系统的时间同步方案。针对两种仿真软件间需要进 行时间同步的问题，根据仿真器驱动方式的不同和仿真目标的不同对两种可行的 同步方式予以实施，分别为控制器时间驱动采用的主从式时间同步方式，以及控 制器事件驱动采用的基于控制器事件的全局驱动式同步方式。 (3) 设计了仿真平台软件系统的底层模块实现方案。针对部分模块予以改进 并设计了新的模块，例如两种不同仿真器的时间控制模块。并使用 MATLAB GUI 套件开发了仿真平台交互界面以及将可视化功能加入系统。 (4) 通过使用该网络化控制系统协同仿真平台，对两种控制系统的主动补偿 方案进行测试。仿真结果验证了主动补偿方案的有效性，以及仿真平台具有较好 的可靠性与稳定性，符合仿真平台设计的基本要求。 最后，对本文的工作进行分析与总结，指出了仿真平台在设计方面的优点与 不足，并展望了未来的研究方向。

2. 通讯和计算资源受限系统的控制设计和分析 韩康 浙江工业大学, 杭州 2019 [Abs] [pdf]

   通讯和计算技术的飞速变革使得控制系统的发展呈现出新的趋势，在此过程中涌现出 的大量新型系统，如物联网、信息物理融合系统等，都依赖复杂的通信网络和各种嵌入式 计算设备闭合控制系统。通信和计算技术的大量使用拓宽了控制系统的适用范围，但与此 同时通信与计算的各种限制也引入到控制系统中，使得对该类系统的设计和分析需要新想 法新思路。 本文研究了两类特殊通信和计算受限系统的设计和分析问题。针对特定场景下的通讯 和计算资源受限系统分别给出了问题的严格定义，提出了相应的解决方案并利用仿真实验 验证了方法的有效性。本文主要工作包括: 1. 研究了通信网络多包传输引发的多时延通信限制问题。无线通信技术的广泛使用 使得多个传感器采集系统信息的情况变得很普遍，但多传感器的使用造成了控制 系统输出由独立的多个数据包传输的情况，即“多包传输”，这引发了系统输出 各个部分时延不一致的问题，造成了设计的困难。对该问题给出了严格的数学定 义，在基于状态重建的基础上利用预测控制思想给出了一种基于数据包的主动补 偿方案，并分析了方案的闭环稳定性，最后分别使用纯数值仿真和基于 TrueTime 工具箱的仿真对方法的有效性进行了验证。 2. 研究了由于控制系统和其他组件共享有限计算资源而可能引起的控制系统计算资 源不足的计算资源受限问题，该问题在物联网等大规模使用共享嵌入式计算设备 的系统中较易出现。针对该问题提出了一种全资源预测控制方法，在不占用更多 系统计算资源的前提下优化了控制系统性能。对闭环系统的稳定性和方法的可扩 展性做了进一步的分析，并对方法的有效性基于 Matlab 仿真进行了验证。

patent

1. 基于TCP协议的NS3与MATLAB集成的联合仿真接口方法 赵云波, 高晓智, 苏艺帆, and 韩康 [Abs]

   基于人脸识别与行人重识别的特定目标跟踪方法，首先训练基于特征融合 与三重损失函数的行人重识别神经网络，建立追踪目标人脸库，人脸识别模块 提取人脸库的人脸特征向量；然后检测监控画面中的行人，人脸识别模块提取 监控画面中行人人脸特征，与人脸库特征向量比对相似度，人脸识别成功则保 存由行人重识别模型得到的行人特征至行人库。人脸识别失败则进行行人重识 别，比对行人特征与行人特征库的相似度。行人重识别成功则保存相似度高的 行人特征至行人库，行人重识别失败则利用上下帧的时空相关性确定行人的身 份。最终实现在监控中对特定目标实时、有效的跟踪。

2. 一种基于NS3和MATLAB的网络化控制系统协同仿真方法 赵云波, 高晓智, 苏艺帆, and 韩康 [Abs]

   一种基于NS3和MATLAB的网络化控制系统协同仿真平台，首先设计网络化 控制系统协同仿真平台总体方案，包括设计仿真平台系统架构，确定网络化控 制系统协同仿真平台组成模块以及确定协同仿真平台数据交换与传递方案，在 linux操作系统中搭建两种仿真软件的运行环境， 之后设计网络化控制系统协同 仿真平台时间同步方案，协同仿真系统是一种对实时性和时序严格要求的仿真 系统，需要通过同步推进两仿真器执行，因此设计了三种协同仿真时间同步方 案，并选择其中两种予以实现，并改进同步交互模型的设计，接下来对NS3各模 块程序设计，并设计NS3仿真脚本，最后进行MATLAB/Simulink各模块程序的设 计，包括MATLAB仿真驱动模块、Simulink控制系统模型、MATLAB客户端组件 与MATLAB用户交互界面几个模块的设计。

3. 一种基于XCOS和NS3的协同仿真时间同步方法 赵云波, 卢帅领, 郝小梅, and 梁启鹏 [Abs]

   一种基于XCOS和NS3的协同仿真时间同步方法，包括：安装NS3中协同仿真接口,在NS3中安装套接字服务端程序,定义缓冲区，缓存SCILAB同步数据; 安装SCILAB中协同仿真接口；初始化NS3仿真脚本；新建NS3仿真脚本，在脚本中定义NS3仿真模块，定义初始化函数：节点设置函数、网络拓扑建立函数、信道属性配置函数、网络设备创建函数、网络协议栈安装函数、仿真开始及结束函数，通过NS3协同仿真接口初始化函数传值完成NS3配置；NS3同步机制设计；SCILAB内XCOS控制系统模型搭建；搭建被控对象模型；搭建控制器模型；搭建执行器模型；协同仿真软件间时间同步机制实现；绘制协同仿真结果图；最终实现在网络化控制系统仿真中得到高精度的仿真结果。

4. 一种基于TCP套接字的SCILAB与NS3协同仿真接口方法 赵云波, 卢帅领, 梁启鹏, and 闫文晓 [Abs]

   基于 TCP 套接字的 SCILAB 与 NS3 协同仿真接口方法，首先是 SCILAB 和 NS3 软件的安装和配置；编写 SCILAB 接口程序； NS3 内接口程序的编写； SCILAB 内接口编程；编写 SCILAB 联合仿真循环程序，设置步数变量，是循环运行仿真 的次数，设置主循环函数， XCOS 输出数据变量通过扩展程序，发送给 NS3 ，同 时接受 NS3 上次仿真的结果， 存放到文件中 并读取到 SCILAB 工作空间， 作为 XCOS 的输入数据值，启动 XCOS ， XCOS 启动后从 SCILAB 工作空间读取 NS3 发 送的值并开始仿真，将每次运行得到的延迟信息和数据包的值保留下来，结束 循环，分别画出节点的延迟分布图和系统响应图。最终实现在网络化控制系统 仿真中得到高精度的仿真结果。本发明仿真精度高，兼具开源和低成本的优点。

项目人员

赵云波 卢帅领 韩康 顾慧卿