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申请/专利权人：浙江工业大学

摘要：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。

主权项：1.一种基于XCOS和NS3的协同仿真时间同步方法，含有以下步骤：1安装NS3中协同仿真接口；步骤11：在NS3中安装套接字服务端程序；通过套接字接受SCILAB的同步数据；步骤12：定义缓冲区，缓存SCILAB同步数据；2安装SCILAB中协同仿真接口；步骤21：在SCILAB中安装套接字客户端C++程序；利用mexArray指令从SCILAB获取需要发送给服务端的数据，通过套接字发送给NS3；步骤22：执行命令ilib_mex_build，编译接口程序；步骤23：执行命令execloader.sce，链接SCILAB动态库文件，在SCILAB中通过“接口名”即可调用接口程序；3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协同仿真接口向以上初始化函数传值完成NS3配置；步骤31：定义并初始化NS3仿真同步周期的步长SimulationStep；步长在SCILAB中意味着一个采样周期，在一个周期内SCILAB通知NS3运行节点间的收发事件；步骤32：定义下一个仿真同步时刻TimeLimit，初始值为SimulationStep；步骤33：定义并初始化仿真时间上限即仿真结束时间SimulationStopTime；步骤34：定义当前仿真时刻CurrentTime＝m_events-PeekNext.key.m_ts；步骤35：定义节点发送时刻SendTime；在NS3脚本中使用命令GetSendTime获取节点发送的时刻，赋值给SendTime，并作为数据包内容的第一位发送给SCILAB，使得数据包在整个仿真过程都能携带发送时刻信息；4NS3同步机制设计；步骤41：定义回跳时间JumpTime＝TimeLimit-SimulationStep-CurrentTime；步骤42：寻找在当前同步周期内执行完成的最后一个事件的时间；执行命令m_events-PeekNext.key.m_ts取下一个事件的结束时刻，判断其是否小于等于TimeLimit；若是，则更新CurrentTime＝m_events-PeekNext.key.m_ts，执行该事件，并继续取下一个事件，否则，说明当前事件为在当前同步周期内执行完成的最后一个事件，此时将TimeLimit移到下一个同步周期点，即TimeLimit+＝SimulationStep，并执行步骤43和步骤44与SCILAB同步信息；步骤43：NS3向SCILAB同步信息；NS3将接受事件中的事件内容，包括时间戳，传感信号，控制量，通过协同仿真接口发给SCILAB；步骤44：接受SCILAB的同步数据，计算回跳时间，安排新事件；回跳时间JumpTime的计算公式为JumpTime＝TimeLimit-SimulationStep-CurrentTime，在JumpTime延时之后执行Simulator::ScheduleJumpTime,UdpEchoClientNew::SendTo,this更新事件列表，其中UdpEchoClientNew::SendTo函数内可自定义一系列发送事件；步骤45：重复执行步骤42到44，直到TimeLimitSimulationStopTime，NS3仿真结束；5SCILAB内XCOS控制系统模型搭建；步骤51：搭建被控对象模型；在XCOS中使用用户自定义模块scifunc_block_m模块，并在工作区间内新建脚本编写此模块功能；定义此模块的控制量u1，系统输入状态x1，系统输出状态y1，以及系统输出z1；此模块功能为利用u1和x1，得到离散系统的一步仿真结果y1和z1；模块函数形式为[y1，z1]＝plantx1，u1；以线性系统为例，函数实现如下：y1＝Ax1+Bu1，z1＝Cx1+Du11其中A、C∈Rn*n，B、D∈Rn*m，为给定矩阵；步骤52：搭建控制器模型；使用scifunc_block_m模块创建控制器模块，模块接受NS3仿真输出数据作为输入，数据内容包括时间戳time_stamp，即传感器节点发送时刻，以及传感器信号，记为u2，控制器模块输出为y2，模块函数形式为[y2]＝controlleru2；函数内容可根据实际控制算法编写，以线性状态反馈为例：y2＝[time_stamp，Ku2]2其中K为给定控制增益；步骤53：搭建执行器模型；定义变量ut_memory,用来与到达执行器的值比较时间戳，即传感器节点发送数据包的时刻，给定初始时间戳为0和初始值的大小，定义变量ut_memory_update,用来更新ut_memory的值；到达执行器的包的内容为控制器处理过的数据包，会先比较含时间戳time_stamp数据包与初始化时存入变量ut_memory的数据大小，选择时间戳大的数据包执行，并将此包保存到ut_memory_update；6协同仿真软件间时间同步机制实现；步骤61：在SCILAB中给定传感器节点发送给控制器节点的变量C_A_data初值，控制器节点发送给执行器节点的变量S_C_data初值,调用接口程序将变量C_A_data和变量S_C_data的值传递给NS3，NS3会根据接收到的信息安排事件；步骤62：NS3安排两个发送事件和两个接收事件，完成四个事件后，调用接口程序将仿真结果传送给SCILAB；步骤63：SCILAB接受NS3的仿真结果，获取仿真结果中当前的仿真时刻，赋值给SCILAB当前时刻变量CurrentTime_SCI；步骤64：设置状态变量State，将S_C_NS3的值赋给State，完成初始化；步骤65：获取NS3仿真传感器节点到控制器节点的结果，将包的内容传给变量S_C_SCI,获取NS3仿真控制器节点到执行器节点的结果，将包的内容传给变量C_A_SCI；步骤66：运行XCOS控制系统模型，获得运行结果即需要NS3下次仿真的安排，即控制器节点发送给执行器节点的包的内容传给变量C_A_NS3，传感器节点发送给控制器节点的内容传给变量S_C_NS3；步骤67：设置循环体计次变量t，即传感器采样次数；步骤68：进入循环体，将上次XCOS运行的结果变量C_A_NS3和S_C_NS3传给协同仿真接口程序的接口变量C_A_data和S_C_data，运行接口程序，将SCILAB需要仿真的事件发送给NS3，并接受NS3仿真的结果，存储延迟信息，包的内容更新到变量S_C_SCI和C_A_SCI,在运行XCOS控制系统模型，更新当前仿真时刻CurrentTime_SCI+＝SimulationStep，之后将t+＝1，进入下次循环，直到达到仿真上限时间；7绘制协同仿真结果图；步骤71：定义控制系统闭环延时close_loop_delay，数据计算公式如下：close_loop_delay＝CurrentTime_SCI-time_stamp；3步骤72：以采样次数t为横坐标，close_loop_delay为纵坐标，使用命令plott，close_loop_delay绘制控制系统传输的延时数据图。

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