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 安徽檢測技術與自動化裝置重點實驗室，安徽蕪湖 241000)

無線網絡控制系統(wireless networked control system，WiNCS)融合了計算機通信、網絡和控制技術，以無線網絡作為信息傳輸媒介，特點是連接方便靈活，維護方便，機動性強，可在復雜環境下持續工作。目前，由于受到相關技術和資金的限制，針對WiNCS的仿真研究已經逐漸成為一個新的熱點。在做仿真研究時，不僅要對控制算法加以考慮，還要考慮節點的功率控制對系統性能產生的影響。

TrueTime是一種基于Matlab的仿真工具箱，可與Simulink工具箱聯合構建系統仿真模型，同時支持控制與實時調度，能對網絡時延、參數對系統性能的影響、網絡調度策略以及網絡協議等多方面進行綜合仿真研究。此外，還可通過模擬電池供電的無線網絡節點進行無線網絡相關算法的仿真驗證［1］。在無線仿真環境下，TrueTime支持各種控制算法和節點功率調度策略對控制系統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，可簡便快速地搭建分布式實時控制系統，建立系統動態過程、控制任務執行以及網絡交互的聯合仿真模型。

TrueTime工具箱提供了6個模塊供用戶調用。

1)內核模塊(TrueTime Kernel)。TrueTime Kernel簡單且使用靈活，可充當網絡控制系統中如傳感器、控制器和執行器等節點，內置A/D和D/A轉換器、網絡接口、調度端口以及外部中斷通道，功能相當于一臺控制計算機。用戶可以用C++語言或Matlab語言編寫代碼函數和進行模塊初始化［4］。在仿真過程中，可以在Schedule端口接示波器，使用戶查看到系統資源的分配情況。

2)網絡模塊(TrueTime Network)。TrueTime Network被用作網絡控制系統的通信網絡，可以對如控制協議、節點數目、傳輸速率、數據丟失率等多種參數進行設定。本文僅涉及WiNCS節點通信，故不詳述TrueTime Network的相關應用。

3)無線網絡模塊(TrueTime Wireless Network)。TrueTime Wireless Network通過從節點發射無線數據信號來完成信息傳遞，支持IEEE 802.11 b/g(WLAN)和 IEEE 802.15.4(ZigBee)兩種網絡類型。在此模塊環境下，用戶可以根據需要對模塊數、節點數目、網絡速度、發射功率等參數進行設置。本文所構建的無線網絡模型主要基于該模塊。

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

5)發送消息模塊(ttSendMsg)和接受消息模塊(ttGetMsg)。這是2個獨立的模塊，可以創建一個不需要M文件的仿真模型。

2 功率控制策略及算法實現

功率控制策略控制任務同時在網絡控制系統中的傳感器、執行器和控制器節點中執行，它們之間通過無線網絡進行連接，構成一個閉環反饋系統(圖1)。

圖1 無線網絡控制系統的結構

功率控制策略對網絡信息的傳輸質量具有很大影響，進而影響控制系統的穩定性［3］。系統控制性能可以通過探求高效的功率控制策略加以提高，這也是無線網絡控制系統TrueTime仿真必須解決的關鍵問題。在這方面，中外多位學者也進行了一些開創性的研究:文獻［4］通過功率控制降低了節點的能耗，提高了網絡生存時間和系統能效;文獻［5］提出了一種M-D策略，通過代碼實現節點的功率控制，降低了控制的復雜度;文獻［6］提出自適應機制節點功率控制策略，能有效減少功率消耗，但成本偏高;文獻［7］以動態博弈思想來優化功率傳輸，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絡控制系統。

這些針對各種策略的改進研究對于功率的控制起到了一定的作用，但對于節點收發信息是否成功均未加以考慮。另外，節點所執行的任務往往不是單一的，任務之間存在能源上的競爭。這些問題會產生節點能量的浪費，使后續任務因得不到充足的能源而無法執行，會對系統控制性能產生不利影響。

單調速率(rate monotonic，RM)是TrueTime網絡模塊預定義的一種調度策略。它是一種基于優先級的靜態分配算法，以任務周期的長短決定優先級的高低，周期越短優先級越高。優先級不隨時間變化，調度總是試圖最先運行周期最短的任務［8］。引入RM算法的思想的控制策略:系統通過節點之間周期性地發送ping消息來確定是否完成通信。設置一個時間，以此為標準時間(BT)。若信息返回時間(RT)與BT相比越小，則優先級越高，下一個周期內節點功率損耗也就越低。與此同時，損耗計算值越小，節點使用時間越長。如果RT與BT相比越大，則功率損耗越多。因此，把損耗計算值設定為負，即進行功率補償，直到功率增加到飽和或等于設定值。將這種策略定義為功率單調策略(power monotonic strategy，PMS)，將它運用到控制系統仿真模型中，并與M-D策略進行控制性能的比較。

PMS策略歸納:① 編寫代碼，對各節點進行初始化。在代碼中設置節點初始功率、標準時間BT參數等。②建立節點信息緩存區，存儲返回信息。③讀取返回信息，比較RT和BT的大小。若RT＜BT，在下一周期內，減少當前節點傳輸功率(PW);若節點剩余功率(即當前總功率P大于當前PW的值)，說明系統仍有能力繼續傳輸信息，則進入下一周期，繼續判斷RT和BT大小;若該節點剩功率不足以發送數據，則認為任務完成;若RT＞BT，在下一周期內，首先對PW給予一定的補償值。補償后，再次比較當前節點的P是否等于PW。若二值相等，則返回初始化階段，重新給各節點分配功率任務;若不等，且在接下來的N個周期內RT仍然一直大于BT，則增大PW一直到節點功率飽和，再返回初始化階段，對功率任務進行再次分配;若在這期間出現RT＜BT的情況，則返回并進入下一周期繼續運行。

3 仿真系統的建立及分析

本文在 Matlab/Simulink環境下，利用 TrueTime工具箱，以傳感器、執行器和控制器系統為節點，直流電機為被控對象，通過無線網絡進行連接，建立仿真模型。直流電機傳遞函數為

控制器采用BP神經網絡PID控制算法。神經元分布:輸入層4個，隱含層5個，輸出層3個。各層加權系數初值分別為w(2)ji(0)、w(3)ji(0)，學習速率和慣性系數分別為0.25和0.05。輸出層節點分別對應 kp、ki、kd，活化函數為 Sigmoid 函數:

對于增量式數字PID控制算法，則有:

本文模型(見圖2)中采用2個內核模塊分別作為傳感器/執行器模塊和控制器節點，依次命名為Node1和Node2。Node1為時間驅動方式，對運動過程進行周期性采樣，并通過無線網絡將采樣值發送給Node2。Node2采用事件驅動方式，同樣通過無線網絡將控制結果傳輸給Node1。Node1通過ttGetMsg獲取Node2發送的數據信息并存放在緩存區，然后比較響應時間RT和返回標準時間BT。若緩存中有響應，可以確定Node2與Node1之間已完成通訊。Node2的功率在每次數據發送后會減少固定的值。若沒有響應，則增加Node2的數據傳輸功率，同樣也是每發送一次遞加一個固定值。當需要的功率超過Node2電池的最高負荷時仍然沒有響應，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。

4 仿真結果分析

仿真模型采用方波作為系統參考輸入，PID控制器參數設定為: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，各節點初始功率為20 mW。對各個節點進行初始化和編程之后運行仿真模型，結果如圖3～5所示。

圖2 WiNCS仿真模型

圖3 方波參考輸入

圖4 M-D策略下的系統性能曲線

圖5 PMS策略下的系統性能曲線

從運行結果可以看出:在M-D功率策略下(見圖4)，系統在開始一段時間內尚可保持穩定，后來由于能量的衰減和不確定數據產生的任務競爭造成功率損耗，剩余功率少于數據發送需要的功率而又得不到及時補償和重新分配，系統穩定性出現波動，使得整體控制效果趨于一般;而在PMS策略下(見圖5)，系統按照既定優先級合理地分配功率，并執行任務，性能曲線更加接近于方波，且抖動較少，減少了節點功率損耗，提高了節點功率利用率，控制效果明顯優于M-D策略。

在控制器節點中對初始化程序中的power_controller_task任務塊進行屏蔽，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:功率的消耗是連續的，節點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絡控制系統中，功率控制是必不可少的。

圖6 無功率控制的系統性能曲線

5 結束語

WiNCS以其突出的特點和廣闊的應用前景，一經提出便受到了國內外學者的極大關注，已在工程領域有一定程度的應用，但其理論研究還遠遠落后于實際需求，因此對它的研究顯得十分迫切。本文針對無線網絡控制系統中的外部控制節點的通信功率的控制問題進行了仿真分析，提出了一種新的功率控制策略，并將其運用于系統模型中。實驗結果表明:該控制策略可以顯著提高系統的穩定性和功率利用率。

［1］王潔，何寧，陳超波.無線網絡控制系統的建模與仿真研究［J］.計算技術與自動化，2011，30(2):42 －45.

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［3］沈永增，劉鋒.無線網絡節點功率控制仿真研究［J］.計算機仿真，2010(3):115－119.

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［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.

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