礦井安全監控系統中無線傳感網絡干擾控制研究

摘 要： 無線傳感網絡易受延時、丟包、干擾等因素的影響。煤礦井下環境非常復雜，使得礦井安全監控系統采集的井下環境參數在礦井下的傳輸受到不確定干擾的影響。針對干擾的不確定性，提出非線性PID控制策略控制的無線傳感網絡應用于礦井安全監控系統。在Matlab/Simulink仿真環境下建立了無線傳感網絡仿真模型，分別對其用常規PID控制和非線性PID控制。仿真結果表明非線性PID控制要比常規PID控制對無線傳感網絡干擾控制效果更好。

關鍵詞： 無線傳感網絡； 礦井安全監控系統； 非線性PID控制； 干擾控制

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）20?0121?03

無線傳感網絡相對有線網絡擁有無需考慮布線的優勢，但仍然不可避免要受網絡中的延時、丟包、干擾等因素的影響。礦井下環境非常復雜，這就使得礦井安全監控系統采集的井下環境參數在礦井下的傳輸受到隨機、不確定的干擾影響。本文將非線性PID控制策略控制的無線傳感網絡應用于礦井安全監控系統，可以提高無線傳感網絡的抗干擾能力。

1 基于無線傳感網絡的礦井安全監控系統

礦井安全監測系統要求能夠實時地采集井下環境參數，并能夠將采集到的數據傳輸給井上的監控微機，并能夠實時反映井下人員的位置[1]。系統可分為四個部分，其總體結構如圖 1所示。

系統中位于最上層的是井上監控室的監控微機，負責安全監控的工作人員通過監控微機的監控軟件給下層節點發送命令，查詢礦井下環境參數數據信息及各節點的工作狀態；處于第二層的是二級匯聚節點，負責將上級命令發送給下級匯聚節點并將下級總線上的數據信息發送給上級監控微機；處于系統第三層的是一級匯聚節點，其作為網關節點起到無線傳感網絡中網絡路由器的作用；系統的最底層由數量相對較多的無線傳感器節點構成，這些無線傳感器節點構成無線傳感網絡系統，采集環境數據及節點的工作狀態發送給上級。本文通過改善無線傳感網絡的抗干擾能力提高采集信號數據的準確性，實現礦井安全監控系統可靠性提高。

2 無線傳感網絡干擾控制研究

從控制角度出發，采用各種智能控制算法來改變控制策略以提高無線網絡的可控性；從通信角度出發，通過改進網絡通信協議來提高無線網絡的穩定性；從通信與控制相結合的角度出發，通過采用動態網絡調度來減小無線網絡系統中的時延、丟包、干擾等因素對其穩定性的影響。文章從控制角度出發，選擇結構簡單，易于實現的非線性PID控制器，在改善傳統PID控制器在快速性和穩定性方面存在的缺陷同時，也降低了干擾對無線傳感網絡控制系統的影響，保證采樣信號的準確性，使得礦井安全監控系統更加可靠。

2.1 非線性PID控制原理

建立非線性PID控制器的模型常用的方法是根據系統輸出偏差ep的大小來修改常規PID控制器的系數kp、ki和kd來實現建立模型的目的[2]。圖2為二階系統響應曲線，以圖2進行分析。

從圖2可以看出，系統響應曲線可以按時間劃分為5段。在不同的時間段，系統偏差ep大小不同，比例、積分和微分參數在不用時間段的期望變化趨勢也不同。根據系統期望比例、積分和微分參數的期望變化趨勢構造相應的增益函數。

（1）比例增益參數kp（ep）的確定。在響應時間0≤t

式中ap，bp，cp為正常數。

（2）積分增益參數ki（ep）的確定。系統希望偏差ep較小時，積分增益增大，以消除系統的穩態偏差，構造積分增益系數ki的非線性偏差函數為[4]：

式中ki[∈]（0，ai）。

（3）微分增益參數kd（ep）的確定。在響應時間0≤tkd，因此構造kd的非線性偏差函數為[5]：

式中ad，bd，cd，dd為正常數。

非線性PID控制算法為：

[ut=kpeptept+kiept0teptdt+kdeptdeptdt]

由上式可以看出，該算法增強了對被控對象模型參數變化的適應范圍，有利于增強整個控制系統的魯棒性。

2.2 仿真與結果分析

對安全監控系統中的無線傳感網絡系統進行建模，模型如圖3所示。

如圖3所示，無線傳感網絡系統中包含了4個節點：干擾節點、執行器節點、控制器節點以及傳感器節點[6?7]。傳感器節點對被控對象進行周期采樣。改變干擾節點中的BWshare參數，以改變干擾量的大小。BWshare分別設為0.2和0.6。運行仿真模型，示波器顯示不同干擾量下的采樣波形輸出情況，得到圖4。圖4為常規PID控策略下干擾量為20%和60%采樣信號輸出曲線；圖5為非線性PID控制策略下干擾量為20%和60%采樣信號輸出曲線。

從圖4可以看出，常規PID控制下，在干擾量較低時，采樣信號能夠跟蹤參考輸入信號的變化（圖中方波為參考信號），但當干擾量較大時，系統的控制性能明顯不能滿足控制要求；而圖5則顯示，控制策略改為非線性PID控制時，雖然干擾量加大但采樣信號仍能快速跟蹤參考輸入信號，系統的控制性能質量降低不明顯。

縱向比較曲線圖可知，在相同的干擾量下，不論是干擾量較小還是較大時，非線性PID控制策略下的采樣信號輸出曲線都比常規PID控制策略下的被控對象采樣曲線更加理想。

3 結 語

（1）仿真結果顯示，非線性PID控制要比常規PID控制對無線網絡控制系統的控制效果要好，保證了監控微機收到的井下環境數據和節點工作狀態信息的準確性，能夠提高礦井安全監控系統的可靠性。

（2）非線性PID控制器不僅改善了傳統PID控制器在快速性和穩定性方面存在的缺陷，而且結構簡單，易于實現，應用前景廣泛。

（3）在已做工作的基礎上，可以考慮在無線傳感網絡中加入Smith預估補償器，雖然增加了硬件的復雜度，卻能夠使得整個系統更加穩定，進一步保證礦井安全監控系統的可靠安全。

參考文獻

[1] 李紀榕，李福進，吳艷微，等.基于無線傳感網絡的煤礦安全檢測系統設計[J].傳感技術學報，2011，45（9）：1336?1340.

[2] 雷文彬.一種非線性PID控制算法的仿真研究[J].計算機仿真，2012，29（4）：268?271.

[3] 劉丹丹，吉建嬌，張姣姣，等.PID調節器及其控制規律分析[J].科技創新導報，2009，22（8）：81?82.

[4] 郭彥青，姚竹亭，王楠.非線性PID控制器研究[J].中北大學學報：自然科學版，2006，27（5）：423?425.

[5] 杜鋒，杜文才.基于新型Smith預估補償的網絡控制系統[M].北京：科學出版社，2012.

[6] 阮殿旭，唐大放，張曉光，等.ZigBee技術無線傳感器網絡在煤礦井下環境監測中的應用研究[J].煤礦機械，2008，29（6）：163?164.

[7] 彭麗萍，岳東.基于TrueTime的無線網絡控制系統仿真設計[J].現代電子技術，2008，31（24）：116?119.