基于模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統仿真研究

摘要：為了研究網(wǎng)絡(luò )控制系統的特性，利用TrueTime工具箱來(lái)搭建網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真模型。分別采用一般PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統模型和采用模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統模型進(jìn)行仿真。仿真結果表明：當網(wǎng)絡(luò )控制系統存在時(shí)延時(shí)，采用模糊PID控制器的系統輸出曲線(xiàn)超調量小，調節時(shí)間短，提高了系統的穩定性。

引言

　　網(wǎng)絡(luò )將分布于不同地理位置的傳感器、控制器和執行器連接起來(lái)，使得控制系統由封閉的集中體系發(fā)展成全分布實(shí)時(shí)反饋閉環(huán)控制系統^[1]，這就是網(wǎng)絡(luò )控制系統。安裝在網(wǎng)絡(luò )上的傳感器、控制器和執行器都是帶網(wǎng)絡(luò )接口的設備，這些設備是網(wǎng)絡(luò )控制系統中的獨立節點(diǎn)，各個(gè)節點(diǎn)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸信息，從而實(shí)現對不同地點(diǎn)的被控對象的遠程控制。在現有的網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真工具中，TrueTime工具箱是比較理想的研究網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真工具箱^[2]。利用TrueTime工具箱中的各個(gè)模塊，搭建出控制器模塊、傳感器模塊、執行器模塊以及通訊網(wǎng)絡(luò )模塊，這些模塊進(jìn)行整合就構建成網(wǎng)絡(luò )控制系統模型。根據MATLAB軟件中TrueTime工具箱和Simulink中的基本模塊搭建好仿真模型，就可以仿真研究不同網(wǎng)絡(luò )調度算法和不同控制算法對網(wǎng)絡(luò )控制系統的性能影響。

1 模糊PID控制器

1.1 模糊PID控制器原理

　　在網(wǎng)絡(luò )控制系統中，設計一個(gè)良好的模糊PID控制器可以減少網(wǎng)絡(luò )控制系統中存在的時(shí)延，降低網(wǎng)絡(luò )控制系統的數據包丟失率^[5]?；谀：齈ID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的結構圖^[6]如圖1所示。

　　設計一個(gè)基于模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統，第一步：選用給定值與反饋值之間的差值e和差值變化率 ec(de/dt)作為網(wǎng)絡(luò )控制系統中模糊PID控制器的輸入信號;第二步：輸入信號e和ec分別接到模糊控制器處，模糊控制器的主要工作首先是在模糊化接口處模糊處理輸入信號e和ec，接著(zhù)在推理機處利用知識庫進(jìn)行推理，最后在清晰化接口處輸出模糊控制器的三個(gè)控制參數的微變量值ΔKp、ΔKI和ΔKD;第三步：模糊控制器輸出三個(gè)控制參數ΔKp、ΔKI和ΔKD接到PID控制器處，通過(guò)PID控制器輸出相應的控制信號，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )把收到的控制信號傳遞給遠處的執行器，執行器根據控制信號執行相應的動(dòng)作，從而實(shí)現遠程控制被控對象。在圖1中，K1和K2是作為模糊控制器輸入信號的量化因子，用來(lái)控制輸入信號e和ec。建立仿真模型實(shí)際上需要調整PID控制器中的KP、KI、KD等參數，且根據經(jīng)驗在線(xiàn)調整，直到系統的穩定輸出，從而保證了整個(gè)基于PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的運行處于良好、平穩的狀態(tài)^[7]。

　　PID控制器的控制規律如式(1)所示：

(1)

　　式(1)中K_P為比例時(shí)間常數，T_I為積分時(shí)間常數，T_D為微分時(shí)間常數。將式(1)改為如式(2)所示：

(2)

　　式(2)中K_P為比例時(shí)間常數，K_I為積分時(shí)間常數，K_D為微分時(shí)間常數。

　　本文采用模糊語(yǔ)言表述K_P、K_I和K_D與輸入控制器的差值e和差值變化率ec之間的非線(xiàn)性關(guān)系。

1.2 模糊PID控制器規則

　　建立仿真模型，不斷調整各個(gè)模塊的相關(guān)系數，得出差值e 和差值變化率ec與PID控制器中的KP、KI和KD之間關(guān)系的表述：

　　(1)當較大時(shí)，為了盡快接近給定值，也就是減小差值，需要適當增大KP，適當減小KI和KD，或者使KI和KD調為零，使得系統的響應較快;

　　(2)當處于中等大小時(shí)，為了使控制器的控制精度更高，需要適當增大KD，便于更好地消除靜態(tài)誤差;

　　(3)當較小時(shí)，為了提高系統的穩定性，需要適當增大KP和KI。

　　模糊PID控制器選取差值e和差值變化率ec為輸入，語(yǔ)言變量值取[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB](分別代表負大、負中、負小、零、正小、正中和正大)七個(gè)模糊值，選取三個(gè)參數的微變化量ΔKp、ΔKI和ΔKD為輸出，同樣也取[NB，NM，NS，Z0，PS，PM，PB]七個(gè)模糊值。根據網(wǎng)絡(luò )控制系統運行的狀態(tài)，確定模糊PID控制器控制規則見(jiàn)表1所示。

1.3 模糊PID控制器模型

　　在網(wǎng)絡(luò )控制系統中，利用TrueTime工具箱的TrueTime Kernel模塊、TrueTime Network模塊、Simulink的基本模塊以及Fuzzy工具箱搭建出模糊控制器。完整的模糊PID控制器的模型如圖2所示，將其嵌入到仿真建立的網(wǎng)絡(luò )控制系統的模型中。

2 仿真分析

　　利用TrueTime 2.0工具箱來(lái)搭建網(wǎng)絡(luò )控制系統仿真模型，分別仿真分析采用不同的控制器算法的網(wǎng)絡(luò )控制系統模型。

2.1 仿真模型

　　網(wǎng)絡(luò )控制系統中被控對象為一直流電機，其傳遞函數為: ，采用PD控制器，輸入為階躍信號，傳感器采樣周期為h，比例增益為K，微分系數為T_D。參考取值：K=1，T_D=0.04，h=0.01，基于PD控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真模型如圖3所示。

　　基于模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真模型如圖4所示，其中被控對象傳遞函數和輸入信號與圖3相同，區別在于后者采用了模糊PID控制器。

　　圖4中，模糊PID控制器則是嵌入在fuzzy Controller模塊中，具體的模糊PID控制器的模型結構圖如圖2所示。利用Truetime 2.0工具箱的相關(guān)模塊和Simulink的基本模塊搭建了網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、傳感器節點(diǎn)、控制器節點(diǎn)和執行器節點(diǎn)，組合后搭建成完整的網(wǎng)絡(luò )控制系統的模型。其中，傳感器節點(diǎn)周期性地采集被控對象的輸出信號，將采集到信號通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到控制器節點(diǎn);控制器節點(diǎn)收到信號后與網(wǎng)絡(luò )控制系統的輸入信號進(jìn)行比較，將差值作為控制器輸入量，根據控制器節點(diǎn)處的控制算法計算出控制信號，并發(fā)送到執行器節點(diǎn);執行器節點(diǎn)根據收到控制信號對被控對象進(jìn)行相應動(dòng)作。

2.2 仿真結果分析

　　仿真過(guò)程中，圖3和圖4的網(wǎng)絡(luò )控制系統模型假設情況相同。假設網(wǎng)絡(luò )干擾為0，通信模式設為Ethernet，傳輸速率為80kbit/s，丟包率為20%，時(shí)延為0.1s，基于PD控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真結果如圖5所示，基于模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真結果如圖6所示。

　　從圖5和圖6中可以看出，當兩個(gè)采用不同控制器算法的網(wǎng)絡(luò )控制系統中存在相同的丟包率和相同的時(shí)延時(shí)，采用一般PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的輸出是發(fā)散的，顯然呈現失真的狀態(tài)，說(shuō)明系統已經(jīng)不穩定;采用模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統的輸出雖然有一定的震蕩，但是最終能夠收斂，說(shuō)明系統最終能夠穩定。所以，與一般PID控制器相比，模糊PID控制器具有更好的自適應能力^[7]。

3 結論

　　本文著(zhù)重于仿真研究模糊控制器在網(wǎng)絡(luò )控制系統的應用，首先詳細介紹如何設計模糊PID控制器，然后利用TrueTime工具箱搭建網(wǎng)絡(luò )控制系統的仿真模型，在設定相同參數的情況下，分別仿真采用一般PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統模型和采用模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統模型。仿真結果表明，與一般PID控制器相比，采用模糊PID控制器的網(wǎng)絡(luò )控制系統，能夠有效地補償網(wǎng)絡(luò )時(shí)延，提高了網(wǎng)絡(luò )控制系統的穩定性。模糊控制器使得網(wǎng)絡(luò )控制系統具有更好的自適應性和控制性能。因此，改進(jìn)控制器的算法對提高網(wǎng)絡(luò )控制系統的性能有著(zhù)極為重要的作用。

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本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第34頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。