采用RM算法的WiNCS功率控制建模與仿真

閻 延，郭興眾，魏利勝，孫少偉

(安徽工程大學(xué) 安徽檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽蕪湖 241000)

無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(wireless networked control system，WiNCS)融合了計(jì)算機(jī)通信、網(wǎng)絡(luò)和控制技術(shù)，以無線網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸媒介，特點(diǎn)是連接方便靈活，維護(hù)方便，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可在復(fù)雜環(huán)境下持續(xù)工作。目前，由于受到相關(guān)技術(shù)和資金的限制，針對(duì)WiNCS的仿真研究已經(jīng)逐漸成為一個(gè)新的熱點(diǎn)。在做仿真研究時(shí)，不僅要對(duì)控制算法加以考慮，還要考慮節(jié)點(diǎn)的功率控制對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響。

TrueTime是一種基于Matlab的仿真工具箱，可與Simulink工具箱聯(lián)合構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，同時(shí)支持控制與實(shí)時(shí)調(diào)度，能對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度策略以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等多方面進(jìn)行綜合仿真研究。此外，還可通過模擬電池供電的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)算法的仿真驗(yàn)證［1］。在無線仿真環(huán)境下，TrueTime支持各種控制算法和節(jié)點(diǎn)功率調(diào)度策略對(duì)控制系統(tǒng)性能影響的仿真研究［2］。

1 TrueTime工具箱

TrueTime工具箱以Matlab/Simulink為操作平臺(tái)，可簡(jiǎn)便快速地搭建分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程、控制任務(wù)執(zhí)行以及網(wǎng)絡(luò)交互的聯(lián)合仿真模型。

TrueTime工具箱提供了6個(gè)模塊供用戶調(diào)用。

1)內(nèi)核模塊(TrueTime Kernel)。TrueTime Kernel簡(jiǎn)單且使用靈活，可充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中如傳感器、控制器和執(zhí)行器等節(jié)點(diǎn)，內(nèi)置A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、網(wǎng)絡(luò)接口、調(diào)度端口以及外部中斷通道，功能相當(dāng)于一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)。用戶可以用C++語(yǔ)言或Matlab語(yǔ)言編寫代碼函數(shù)和進(jìn)行模塊初始化［4］。在仿真過程中，可以在Schedule端口接示波器，使用戶查看到系統(tǒng)資源的分配情況。

2)網(wǎng)絡(luò)模塊(TrueTime Network)。TrueTime Network被用作網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)如控制協(xié)議、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、傳輸速率、數(shù)據(jù)丟失率等多種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。本文僅涉及WiNCS節(jié)點(diǎn)通信，故不詳述TrueTime Network的相關(guān)應(yīng)用。

3)無線網(wǎng)絡(luò)模塊(TrueTime Wireless Network)。TrueTime Wireless Network通過從節(jié)點(diǎn)發(fā)射無線數(shù)據(jù)信號(hào)來完成信息傳遞，支持IEEE 802.11 b/g(WLAN)和 IEEE 802.15.4(ZigBee)兩種網(wǎng)絡(luò)類型。在此模塊環(huán)境下，用戶可以根據(jù)需要對(duì)模塊數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、網(wǎng)絡(luò)速度、發(fā)射功率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。本文所構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)模型主要基于該模塊。

4)電源模塊(TrueTime Battery)。TrueTime Battery是供能模塊，可為內(nèi)核模塊提供電源。

5)發(fā)送消息模塊(ttSendMsg)和接受消息模塊(ttGetMsg)。這是2個(gè)獨(dú)立的模塊，可以創(chuàng)建一個(gè)不需要M文件的仿真模型。

2 功率控制策略及算法實(shí)現(xiàn)

功率控制策略控制任務(wù)同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的傳感器、執(zhí)行器和控制器節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行，它們之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)(圖1)。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

功率控制策略對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸質(zhì)量具有很大影響，進(jìn)而影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性［3］。系統(tǒng)控制性能可以通過探求高效的功率控制策略加以提高，這也是無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)TrueTime仿真必須解決的關(guān)鍵問題。在這方面，中外多位學(xué)者也進(jìn)行了一些開創(chuàng)性的研究:文獻(xiàn)［4］通過功率控制降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間和系統(tǒng)能效;文獻(xiàn)［5］提出了一種M-D策略，通過代碼實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的功率控制，降低了控制的復(fù)雜度;文獻(xiàn)［6］提出自適應(yīng)機(jī)制節(jié)點(diǎn)功率控制策略，能有效減少功率消耗，但成本偏高;文獻(xiàn)［7］以動(dòng)態(tài)博弈思想來優(yōu)化功率傳輸，減少傳遞過程的損耗，但信息交互量大，不適用于大型無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

這些針對(duì)各種策略的改進(jìn)研究對(duì)于功率的控制起到了一定的作用，但對(duì)于節(jié)點(diǎn)收發(fā)信息是否成功均未加以考慮。另外，節(jié)點(diǎn)所執(zhí)行的任務(wù)往往不是單一的，任務(wù)之間存在能源上的競(jìng)爭(zhēng)。這些問題會(huì)產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)，使后續(xù)任務(wù)因得不到充足的能源而無法執(zhí)行，會(huì)對(duì)系統(tǒng)控制性能產(chǎn)生不利影響。

單調(diào)速率(rate monotonic，RM)是TrueTime網(wǎng)絡(luò)模塊預(yù)定義的一種調(diào)度策略。它是一種基于優(yōu)先級(jí)的靜態(tài)分配算法，以任務(wù)周期的長(zhǎng)短決定優(yōu)先級(jí)的高低，周期越短優(yōu)先級(jí)越高。優(yōu)先級(jí)不隨時(shí)間變化，調(diào)度總是試圖最先運(yùn)行周期最短的任務(wù)［8］。引入RM算法的思想的控制策略:系統(tǒng)通過節(jié)點(diǎn)之間周期性地發(fā)送ping消息來確定是否完成通信。設(shè)置一個(gè)時(shí)間，以此為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(BT)。若信息返回時(shí)間(RT)與BT相比越小，則優(yōu)先級(jí)越高，下一個(gè)周期內(nèi)節(jié)點(diǎn)功率損耗也就越低。與此同時(shí)，損耗計(jì)算值越小，節(jié)點(diǎn)使用時(shí)間越長(zhǎng)。如果RT與BT相比越大，則功率損耗越多。因此，把損耗計(jì)算值設(shè)定為負(fù)，即進(jìn)行功率補(bǔ)償，直到功率增加到飽和或等于設(shè)定值。將這種策略定義為功率單調(diào)策略(power monotonic strategy，PMS)，將它運(yùn)用到控制系統(tǒng)仿真模型中，并與M-D策略進(jìn)行控制性能的比較。

PMS策略歸納:① 編寫代碼，對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化。在代碼中設(shè)置節(jié)點(diǎn)初始功率、標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間BT參數(shù)等。②建立節(jié)點(diǎn)信息緩存區(qū)，存儲(chǔ)返回信息。③讀取返回信息，比較RT和BT的大小。若RT＜BT，在下一周期內(nèi)，減少當(dāng)前節(jié)點(diǎn)傳輸功率(PW);若節(jié)點(diǎn)剩余功率(即當(dāng)前總功率P大于當(dāng)前PW的值)，說明系統(tǒng)仍有能力繼續(xù)傳輸信息，則進(jìn)入下一周期，繼續(xù)判斷RT和BT大小;若該節(jié)點(diǎn)剩功率不足以發(fā)送數(shù)據(jù)，則認(rèn)為任務(wù)完成;若RT＞BT，在下一周期內(nèi)，首先對(duì)PW給予一定的補(bǔ)償值。補(bǔ)償后，再次比較當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的P是否等于PW。若二值相等，則返回初始化階段，重新給各節(jié)點(diǎn)分配功率任務(wù);若不等，且在接下來的N個(gè)周期內(nèi)RT仍然一直大于BT，則增大PW一直到節(jié)點(diǎn)功率飽和，再返回初始化階段，對(duì)功率任務(wù)進(jìn)行再次分配;若在這期間出現(xiàn)RT＜BT的情況，則返回并進(jìn)入下一周期繼續(xù)運(yùn)行。

3 仿真系統(tǒng)的建立及分析

本文在 Matlab/Simulink環(huán)境下，利用 TrueTime工具箱，以傳感器、執(zhí)行器和控制器系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)，直流電機(jī)為被控對(duì)象，通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，建立仿真模型。直流電機(jī)傳遞函數(shù)為

控制器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法。神經(jīng)元分布:輸入層4個(gè)，隱含層5個(gè)，輸出層3個(gè)。各層加權(quán)系數(shù)初值分別為w(2)ji(0)、w(3)ji(0)，學(xué)習(xí)速率和慣性系數(shù)分別為0.25和0.05。輸出層節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng) kp、ki、kd，活化函數(shù)為 Sigmoid 函數(shù):

對(duì)于增量式數(shù)字PID控制算法，則有:

本文模型(見圖2)中采用2個(gè)內(nèi)核模塊分別作為傳感器/執(zhí)行器模塊和控制器節(jié)點(diǎn)，依次命名為Node1和Node2。Node1為時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行周期性采樣，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將采樣值發(fā)送給Node2。Node2采用事件驅(qū)動(dòng)方式，同樣通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制結(jié)果傳輸給Node1。Node1通過ttGetMsg獲取Node2發(fā)送的數(shù)據(jù)信息并存放在緩存區(qū)，然后比較響應(yīng)時(shí)間RT和返回標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間BT。若緩存中有響應(yīng)，可以確定Node2與Node1之間已完成通訊。Node2的功率在每次數(shù)據(jù)發(fā)送后會(huì)減少固定的值。若沒有響應(yīng)，則增加Node2的數(shù)據(jù)傳輸功率，同樣也是每發(fā)送一次遞加一個(gè)固定值。當(dāng)需要的功率超過Node2電池的最高負(fù)荷時(shí)仍然沒有響應(yīng)，則說明信息傳輸失敗，需返回初始化階段，重置Node2與Node1之間的傳輸功率及其他通訊參數(shù)。

4 仿真結(jié)果分析

仿真模型采用方波作為系統(tǒng)參考輸入，PID控制器參數(shù)設(shè)定為:采樣周期 Ts=0.01，微分增益kd=0.035，比例增益 kp=1.5，積分增益 ki=100 000，各節(jié)點(diǎn)初始功率為20 mW。對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化和編程之后運(yùn)行仿真模型，結(jié)果如圖3～5所示。

圖2 WiNCS仿真模型

圖3 方波參考輸入

圖4 M-D策略下的系統(tǒng)性能曲線

圖5 PMS策略下的系統(tǒng)性能曲線

從運(yùn)行結(jié)果可以看出:在M-D功率策略下(見圖4)，系統(tǒng)在開始一段時(shí)間內(nèi)尚可保持穩(wěn)定，后來由于能量的衰減和不確定數(shù)據(jù)產(chǎn)生的任務(wù)競(jìng)爭(zhēng)造成功率損耗，剩余功率少于數(shù)據(jù)發(fā)送需要的功率而又得不到及時(shí)補(bǔ)償和重新分配，系統(tǒng)穩(wěn)定性出現(xiàn)波動(dòng)，使得整體控制效果趨于一般;而在PMS策略下(見圖5)，系統(tǒng)按照既定優(yōu)先級(jí)合理地分配功率，并執(zhí)行任務(wù)，性能曲線更加接近于方波，且抖動(dòng)較少，減少了節(jié)點(diǎn)功率損耗，提高了節(jié)點(diǎn)功率利用率，控制效果明顯優(yōu)于M-D策略。

在控制器節(jié)點(diǎn)中對(duì)初始化程序中的power_controller_task任務(wù)塊進(jìn)行屏蔽，使功率控制策略得以中斷，重新仿真后得到如圖6所示的曲線。可以看出:功率的消耗是連續(xù)的，節(jié)點(diǎn)中有限的能源被很快耗光，從而失去了控制能力［9］。這再次證明在無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中，功率控制是必不可少的。

圖6 無功率控制的系統(tǒng)性能曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

WiNCS以其突出的特點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，一經(jīng)提出便受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，已在工程領(lǐng)域有一定程度的應(yīng)用，但其理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實(shí)際需求，因此對(duì)它的研究顯得十分迫切。本文針對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的外部控制節(jié)點(diǎn)的通信功率的控制問題進(jìn)行了仿真分析，提出了一種新的功率控制策略，并將其運(yùn)用于系統(tǒng)模型中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該控制策略可以顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功率利用率。

［1］王潔，何寧，陳超波.無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的建模與仿真研究［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2011，30(2):42 －45.

［2］程啟明，郭瑞青，杜許峰.基于TrueTmie工具箱的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)及其在電機(jī)控制上的應(yīng)用［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，25(1):23 － 28.

［3］沈永增，劉鋒.無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功率控制仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010(3):115－119.

［4］趙賢林，逄濱，沈明霞.基于TrueTime的無線網(wǎng)絡(luò)功率控制系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2010，36(10):127 －129.

［5］Andersson M，Henriksson D，Cervin A.TrueTime 1.6 －Reference Manual［R］.Department Of Automatic Control Lund University，Sweden，June 2008.

［6］ZHANG X，LIU M，GONG H.PCAR:a power controlled routing protocol for wireless ad hoc networks［C］//Proc of IEEE International Symposium on a World of Wireless Mobile and Multimedia Networks，Montreal.USA: ［s.n.］:2010:1 －16.

［7］李沛，王暉，樊鵬翼.無線網(wǎng)絡(luò)中自私功率控制行為研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2011(15):60－63.

［8］趙海，寧宣杰，趙震宇.RM算法中減少搶占開銷的任務(wù)微調(diào)算法［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，32(5):650－654.

［9］王炎.天線傳感器網(wǎng)絡(luò)壞點(diǎn)識(shí)別研究與應(yīng)用［J］.壓電與聲光，2013(3):452 －455.