基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化研究

1、基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)調(diào)度優(yōu)化研究        摘要：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)NCS(Networked Control System)是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)，具有強(qiáng)實(shí)時性。結(jié)合控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時調(diào)度與系統(tǒng)控制性能，應(yīng)用單調(diào)速率RM(Rate Monotonic)方法對一組周期性的網(wǎng)絡(luò)控制傳輸任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)NCS的調(diào)度優(yōu)化，同時滿足了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)化調(diào)度與控制系統(tǒng)傳輸誤差最小化的要求，提高了網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能，最后給出了優(yōu)化實(shí)例。     關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；遺傳算法；單調(diào)速

2、率調(diào)度；傳輸誤差 The study on scheduling optimization in a network control system based on genetic algorithms HE Jianqiang1，2，ZHANG Huanchun2 (1.Electric Engineering Dept，Yancheng institute of technology，Jiangsu Yancheng 224003，China； 2.Automation Engineering College，Nanjing University of Aeronautics &

3、#160;Astronautics，Jiangsu Nanjing 210016，China)Abstract：The NCS (Network Control System) is a networkbased distributed control system with strong realtime performance.In this paper，with the combination of the realtime scheduling and the system control performance，a rate monotonic method is used to i

4、mplement the scheduling of a set of periodic tasks for NCSs and a genetic algorithm is applied as well to the realization of NCS scheduling optimization.The scheduling condition of network transmission is improved and the minimization of transmission errors of NCS is fulfilled simultaneously，thus th

5、e performance of the networked control system gets better.An example is shown at the end of the paper. Keywords：networked controlsystem；genetic algorithm；RMscheduling；transmission error0引言網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是基于網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)通過串行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制回路，通常包括多個子控制系統(tǒng)1，圖1為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的組成示意。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)利用串行通信網(wǎng)絡(luò)在分布化的設(shè)備之間進(jìn)行信息和控制信號的傳輸，目前普遍應(yīng)用的現(xiàn)場總線與工

6、業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的系統(tǒng)都屬于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有嚴(yán)格的實(shí)時性要求，要求控制任務(wù)的信息傳遞必須在一定的通信時間內(nèi)完成，網(wǎng)絡(luò)是信息傳輸?shù)耐ǖ溃瑢τ诰W(wǎng)絡(luò)通道而言，每次只能夠在網(wǎng)絡(luò)中傳輸一種設(shè)備的信息，如控制系統(tǒng)中的傳感器信息、控制器輸出命令等，由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制以及系統(tǒng)對傳輸時間的截止期要求，系統(tǒng)的實(shí)時性能將會受到影響，因此網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能不 僅取決于常規(guī)控制系統(tǒng)的控制算法設(shè)計(jì)，而且取決于共有通信網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度，所以要對系統(tǒng)中各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸分配。目前網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究往往將網(wǎng)絡(luò)通信調(diào)度與系統(tǒng)控制分開進(jìn)行，而對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言這兩者又是一個整體，必須同時考慮，才能得到理想的控制性能與高的網(wǎng)

7、絡(luò)利用率。將調(diào)度方法與系統(tǒng)控制結(jié)合起來進(jìn)行研究是一個較新的研究領(lǐng)域，有關(guān)這方面研究才剛剛起步24。該文從網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度與控制結(jié)合角度出發(fā)，采用遺傳算法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度優(yōu)化問題。首先利用實(shí)時調(diào)度理系統(tǒng)的性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建遺傳優(yōu)化模型，再通過遺傳算法實(shí)現(xiàn)，最后通過一個實(shí)例說明其應(yīng)用，為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。1NCS的調(diào)度方法1.1NCS周期任務(wù)模型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)由一組基于網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成，每一個控制回路通過網(wǎng)絡(luò)傳送系統(tǒng)信息，傳輸信息主要包括周期性與非周期信息，其中周期性通信的實(shí)時性對于系統(tǒng)的性能來說最為重要。假設(shè)一組控制回路任務(wù)集合為：Loop1，Loopi，Loo

8、p n，控制回路Loopi為周期控制任務(wù)，每個周期控制回路Loopi都要占用一定時間的網(wǎng)絡(luò)資源，主要是控制信息在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸任務(wù)，包括傳感器采樣信息、輸出控制信息等內(nèi)容，每一個網(wǎng)絡(luò)控制回路Loopi具有一定的時間限制。每個控制回路的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型表示為Loopi(Ti，Di，Ci，Bi)，其中，Ti為控制周期任務(wù)的執(zhí)行時間，Di為相對時限，Ci為任務(wù)執(zhí)行時間，Bi為傳輸?shù)淖枞麜r間，要求每個控制周期的任務(wù)都必須在本周期結(jié)束之前完成，圖2給出了實(shí)時網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)示意圖。1.2NCS的調(diào)度網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的調(diào)度主要是分配網(wǎng)絡(luò)資源，對網(wǎng)絡(luò)中的每一個系統(tǒng)進(jìn)行傳輸調(diào)度，使得控制系統(tǒng)能夠滿足周期和控制任務(wù)限制的實(shí)時

9、要求，保證控制任務(wù)的信息傳遞在一定的通信時間內(nèi)完成，從而提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。假設(shè)每個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息通過一組數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳送，因此對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸調(diào)度可以采用單處理器系統(tǒng)任務(wù)的非強(qiáng)占調(diào)度方法，如單調(diào)速率(RM)和最小截止期優(yōu)先(EDF)等調(diào)度算法。對于一組獨(dú)立的具有n個周期的強(qiáng)占性任務(wù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的利用率U滿足式(1)的關(guān)系時，網(wǎng)絡(luò)的傳輸任務(wù)就可以被RM算法調(diào)度5，其中短周期的任 務(wù)具有更高的優(yōu)先級。     對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度傳輸一般 具有非強(qiáng)占性，網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)娜蝿?wù)信息必須在截止期之前完成，控制任務(wù)傳輸期間網(wǎng)絡(luò)具有專用性。對于一組非強(qiáng)占周期

10、性任務(wù)，可以采用非強(qiáng)占RM調(diào)度方法，條件是在式(1)的基礎(chǔ)上，加上阻塞時間，Bi為最低優(yōu)先級傳輸傳輸任務(wù)的最大阻塞時間。2NCS的穩(wěn)定性與傳輸誤差對于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的傳輸周期與系統(tǒng)中傳感器的采樣周期是一致的，周期的大小會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生極大的影響。當(dāng)傳輸周期變大時，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能與常規(guī)數(shù)字控制系統(tǒng)相同，系統(tǒng)性能降低，而當(dāng)傳輸周期較小時，由于網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)載增加，對有限帶寬網(wǎng)絡(luò)的競爭和數(shù)據(jù)丟失可能性增加，因此會產(chǎn)生較長的時延，從而導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低，因此正確進(jìn)行傳輸周期選擇對系統(tǒng)性能極為重要。文獻(xiàn)13已經(jīng)對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件進(jìn)行定量分析，對于一個基于網(wǎng)絡(luò)的單參數(shù)的控制對象，網(wǎng)絡(luò)控制系

11、統(tǒng)的方程表示為：文獻(xiàn)3對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸周期與系統(tǒng)的穩(wěn)定條件進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：    當(dāng)控制回路的傳輸周期TiTup時，網(wǎng)絡(luò)控制系 統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中Tup為傳輸周期的上限值。 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制信息在網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，存在一定的傳輸誤差e(t)， 3NCS的遺傳調(diào)度優(yōu)化3.1遺傳優(yōu)化模型為了提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的性能要求，需要對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化處理，這里實(shí)際為一個具有調(diào)度與控制性能約束的最優(yōu)化問題。選取各個控制回路的傳輸誤差最小為目標(biāo)，則網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)表示為為控制回路的任務(wù)周期，是優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，通過優(yōu)化選擇Ti，可以使控制系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)

12、最小化，必須滿足前面討論過的調(diào)度約束與控制的約束條件：3.2遺傳算法設(shè)計(jì)    1)染色體編碼為了實(shí)現(xiàn)調(diào)度優(yōu)化，必須進(jìn)行染色體編碼，編碼方案的選擇對算法的性能、程序運(yùn)行效率等會產(chǎn)生很大的影響。該文采用浮點(diǎn)數(shù)方式對傳輸周期Ti進(jìn)行串型編碼，用來表示初始種群中的個體，編碼的總位數(shù)根據(jù)解的精度要求(有效位數(shù))求得，圖3表示各個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的傳輸時間(T1，T2，Tn)連接起來的浮點(diǎn)數(shù)代碼，構(gòu)成了一個一維染色體編碼。    2)群體的初始化初始化主要確定種群的規(guī)模，染色體表示個體的代碼，初始群體的染色體一般采用隨機(jī)初始化的方式產(chǎn)生，文中用傳輸

13、時間連接的代碼串表示，隨機(jī)產(chǎn)生的初始種群要求同時滿足約束條件式(5)和式(6)，作為初始種群的個體，群體規(guī)模影響遺傳算法的最終性能和效率，文中采用初始化函數(shù)initializega9實(shí)現(xiàn)。    3)選擇操作采用選擇操作實(shí)現(xiàn)從當(dāng)前群體中選出優(yōu)良個體，決定哪些個體可以進(jìn)入下一代，個體適應(yīng)度越高，其被選擇的機(jī)會就越多，文中采用與適應(yīng)度成比例的概率方法進(jìn)行個體選擇，通過目標(biāo)函數(shù)f(Ti) 計(jì)算，根據(jù)每個個體的適應(yīng)度所占比例f(Ti)/f(Ti)(f(Ti)為適應(yīng)度的總和)，計(jì)算出各個個體被選擇的概率，通過比較選擇出進(jìn)入下一代的樣本。   

14、4)交*和變異對群體中父代個體進(jìn)行隨機(jī)配對交*，從而產(chǎn)生新的子代。交*方法主要有兩種，一種是單點(diǎn)隨機(jī)交*的方式，即配對個體的交*點(diǎn)隨機(jī)設(shè)定，交換兩個個體節(jié)點(diǎn)的全部數(shù)據(jù)信息；另一種為多交*節(jié)點(diǎn)交*方式，即每個節(jié)點(diǎn)交*部分?jǐn)?shù)據(jù)信息。變異主要是增加群體的多樣性，用于克服可能限于局部解的不足，變異操作是按位進(jìn)行操作的，即對某一位 的內(nèi)容進(jìn)行變異。該文的交*和變異操作分別采用了對浮點(diǎn)數(shù)非常有效的arithXover函數(shù)交*操作和nonUnifMutate函數(shù)變異操作。3.3優(yōu)化算例假設(shè)一組由3個子系統(tǒng)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，控制對象表示為xaixu，反饋控制器ukix，其中系數(shù)ai與ki分別為20、15、5和45、35、25，系統(tǒng)的傳輸誤差為：操作中的遺傳參數(shù)的選擇涉及多個參數(shù)，取群體規(guī)模為30，浮點(diǎn)數(shù)的計(jì)算精度為103，交*率Pc0.85、變異率Pm0.02，最大進(jìn)化代數(shù)為50，求得優(yōu)化結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，采用優(yōu)化調(diào)度的網(wǎng)絡(luò)傳輸