基于遗传算法的网络控制系统调度优化研究

1、基于遗传算法的网络控制系统调度优化研究        摘要：网络控制系统NCS(Networked Control System)是基于网络的分布式控制系统，具有强实时性。结合控制网络的实时调度与系统控制性能，应用单调速率RM(Rate Monotonic)方法对一组周期性的网络控制传输任务进行调度，采用遗传算法实现NCS的调度优化，同时满足了网络传输的优化调度与控制系统传输误差最小化的要求，提高了网络控制系统的性能，最后给出了优化实例。     关键词：网络控制系统；遗传算法；单调速

2、率调度；传输误差 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引言网络控制系统是基于网络的分布式控制系统，系统通过串行网络构成控制回路，通常包括多个子控制系统1，图1为网络控制系统的组成示意。网络控制系统利用串行通信网络在分布化的设备之间进行信息和控制信号的传输，目前普遍应用的现场总线与工

6、业以太网构成的系统都属于网络控制系统。网络控制系统具有严格的实时性要求，要求控制任务的信息传递必须在一定的通信时间内完成，网络是信息传输的通道，对于网络通道而言，每次只能够在网络中传输一种设备的信息，如控制系统中的传感器信息、控制器输出命令等，由于网络带宽的限制以及系统对传输时间的截止期要求，系统的实时性能将会受到影响，因此网络控制系统的性能不 仅取决于常规控制系统的控制算法设计，而且取决于共有通信网络资源的调度，所以要对系统中各个节点进行传输分配。目前网络控制系统的研究往往将网络通信调度与系统控制分开进行，而对于网络控制系统而言这两者又是一个整体，必须同时考虑，才能得到理想的控制性能与高的网

7、络利用率。将调度方法与系统控制结合起来进行研究是一个较新的研究领域，有关这方面研究才刚刚起步24。该文从网络控制系统的调度与控制结合角度出发，采用遗传算法实现网络控制系统的调度优化问题。首先利用实时调度理系统的性能指标，在此基础上，构建遗传优化模型，再通过遗传算法实现，最后通过一个实例说明其应用，为网络控制系统的优化应用提供指导。1NCS的调度方法1.1NCS周期任务模型网络控制系统由一组基于网络的闭环控制系统构成，每一个控制回路通过网络传送系统信息，传输信息主要包括周期性与非周期信息，其中周期性通信的实时性对于系统的性能来说最为重要。假设一组控制回路任务集合为：Loop1，Loopi，Loo

8、p n，控制回路Loopi为周期控制任务，每个周期控制回路Loopi都要占用一定时间的网络资源，主要是控制信息在网络上的传输任务，包括传感器采样信息、输出控制信息等内容，每一个网络控制回路Loopi具有一定的时间限制。每个控制回路的网络传输模型表示为Loopi(Ti，Di，Ci，Bi)，其中，Ti为控制周期任务的执行时间，Di为相对时限，Ci为任务执行时间，Bi为传输的阻塞时间，要求每个控制周期的任务都必须在本周期结束之前完成，图2给出了实时网络传输任务示意图。1.2NCS的调度网络控制系统的调度主要是分配网络资源，对网络中的每一个系统进行传输调度，使得控制系统能够满足周期和控制任务限制的实时

9、要求，保证控制任务的信息传递在一定的通信时间内完成，从而提高网络的利用率。假设每个网络控制系统的状态信息通过一组数据包在网络中传送，因此对于网络控制系统的传输调度可以采用单处理器系统任务的非强占调度方法，如单调速率(RM)和最小截止期优先(EDF)等调度算法。对于一组独立的具有n个周期的强占性任务，当网络的利用率U满足式(1)的关系时，网络的传输任务就可以被RM算法调度5，其中短周期的任 务具有更高的优先级。     对于网络控制系统而言，网络的调度传输一般 具有非强占性，网络中传输的任务信息必须在截止期之前完成，控制任务传输期间网络具有专用性。对于一组非强占周期

10、性任务，可以采用非强占RM调度方法，条件是在式(1)的基础上，加上阻塞时间，Bi为最低优先级传输传输任务的最大阻塞时间。2NCS的稳定性与传输误差对于网络控制系统而言，系统的传输周期与系统中传感器的采样周期是一致的，周期的大小会对系统的性能产生极大的影响。当传输周期变大时，网络控制系统的性能与常规数字控制系统相同，系统性能降低，而当传输周期较小时，由于网络通信负载增加，对有限带宽网络的竞争和数据丢失可能性增加，因此会产生较长的时延，从而导致系统性能降低，因此正确进行传输周期选择对系统性能极为重要。文献13已经对网络控制系统的稳定性条件进行定量分析，对于一个基于网络的单参数的控制对象，网络控制系

11、统的方程表示为：文献3对网络控制系统的传输周期与系统的稳定条件进行了研究，结果表明：    当控制回路的传输周期TiTup时，网络控制系 统处于稳定状态，其中Tup为传输周期的上限值。 网络控制系统的控制信息在网络中传输时，存在一定的传输误差e(t)， 3NCS的遗传调度优化3.1遗传优化模型为了提高网络控制系统的性能要求，需要对系统进行优化处理，这里实际为一个具有调度与控制性能约束的最优化问题。选取各个控制回路的传输误差最小为目标，则网络控制系统的目标函数表示为为控制回路的任务周期，是优化设计变量，通过优化选择Ti，可以使控制系统的性能达到最优。为了实现目标函数

12、最小化，必须满足前面讨论过的调度约束与控制的约束条件：3.2遗传算法设计    1)染色体编码为了实现调度优化，必须进行染色体编码，编码方案的选择对算法的性能、程序运行效率等会产生很大的影响。该文采用浮点数方式对传输周期Ti进行串型编码，用来表示初始种群中的个体，编码的总位数根据解的精度要求(有效位数)求得，图3表示各个网络控制系统的传输时间(T1，T2，Tn)连接起来的浮点数代码，构成了一个一维染色体编码。    2)群体的初始化初始化主要确定种群的规模，染色体表示个体的代码，初始群体的染色体一般采用随机初始化的方式产生，文中用传输

13、时间连接的代码串表示，随机产生的初始种群要求同时满足约束条件式(5)和式(6)，作为初始种群的个体，群体规模影响遗传算法的最终性能和效率，文中采用初始化函数initializega9实现。    3)选择操作采用选择操作实现从当前群体中选出优良个体，决定哪些个体可以进入下一代，个体适应度越高，其被选择的机会就越多，文中采用与适应度成比例的概率方法进行个体选择，通过目标函数f(Ti) 计算，根据每个个体的适应度所占比例f(Ti)/f(Ti)(f(Ti)为适应度的总和)，计算出各个个体被选择的概率，通过比较选择出进入下一代的样本。   

14、4)交*和变异对群体中父代个体进行随机配对交*，从而产生新的子代。交*方法主要有两种，一种是单点随机交*的方式，即配对个体的交*点随机设定，交换两个个体节点的全部数据信息；另一种为多交*节点交*方式，即每个节点交*部分数据信息。变异主要是增加群体的多样性，用于克服可能限于局部解的不足，变异操作是按位进行操作的，即对某一位 的内容进行变异。该文的交*和变异操作分别采用了对浮点数非常有效的arithXover函数交*操作和nonUnifMutate函数变异操作。3.3优化算例假设一组由3个子系统构成的网络控制系统，控制对象表示为xaixu，反馈控制器ukix，其中系数ai与ki分别为20、15、5和45、35、25，系统的传输误差为：操作中的遗传参数的选择涉及多个参数，取群体规模为30，浮点数的计算精度为103，交*率Pc0.85、变异率Pm0.02，最大进化代数为50，求得优化结果如表1所示。结果表明，采用优化调度的网络传输