基于模糊控制的農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)研究

馮雙林,程麗紅

(廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530003)

0 引言

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要包括后臺(tái)控制器、檢測傳感器、被控對(duì)象、執(zhí)行器和網(wǎng)絡(luò)傳輸通路等。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的工作原理是利用檢測傳感器模塊對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行采集,再通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)送回給后臺(tái)控制器,經(jīng)過一定的控制算法求出控制量,最后通過無線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)控制執(zhí)行器。由于引入了網(wǎng)絡(luò)傳輸,會(huì)帶來一些新的問題,如信息傳輸延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包及調(diào)度協(xié)同控制等問題。為了解決這些問題,引入了模糊控制算法,在不需要獲取準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,可確保系統(tǒng)時(shí)延在最大允許范圍內(nèi),且還能大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的整體框架圖Fig.1 The overall frame diagram of network control system

1 農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)控制的傳輸信息可分為實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)兩種信息,而實(shí)時(shí)信息又可分為硬實(shí)時(shí)信息和軟實(shí)時(shí)信息。一般而言,實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)量較小,發(fā)送較快,數(shù)據(jù)不會(huì)重新發(fā)送,通常是控制一類的信息。實(shí)時(shí)信息對(duì)時(shí)延要求嚴(yán)格,需要在規(guī)定的時(shí)間到達(dá)節(jié)點(diǎn),不允許丟失,否則會(huì)造成嚴(yán)重后果,如農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫溫度超溫報(bào)警信息。

了解了實(shí)時(shí)信息的特點(diǎn)后,便需要對(duì)調(diào)度任務(wù)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行分析。網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)參數(shù)如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)參數(shù)Fig.2 The task time node parameters of network transmission

圖2中,ai、si、fi和di分別表示數(shù)據(jù)包加入傳輸隊(duì)列、開始傳輸、傳輸完成和信息傳輸允許的最大時(shí)延。網(wǎng)絡(luò)信息傳輸過程中的時(shí)間參數(shù)關(guān)系如下:

1)阻塞時(shí)間bi=si-ai,表示數(shù)據(jù)信息在傳輸隊(duì)列等待傳輸?shù)臅r(shí)間;

2)阻塞時(shí)間ci=fi-si,表示數(shù)據(jù)信息從開始傳輸?shù)酵瓿蓚鬏敾ㄙM(fèi)的時(shí)間,主要與數(shù)據(jù)的長度和網(wǎng)絡(luò)速度有關(guān);

3)傳輸時(shí)延τi=bi+ci,表示數(shù)據(jù)信息從加入到傳輸隊(duì)列并傳輸出去所花費(fèi)的時(shí)間;

4)空閑時(shí)間γi=di-fi,表示數(shù)據(jù)發(fā)送完成到信息傳輸允許的最大時(shí)延的時(shí)間。

結(jié)合以上網(wǎng)絡(luò)控制中調(diào)度時(shí)延參數(shù)問題,便可以對(duì)農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫數(shù)據(jù)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃和研究。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的工作原理

模糊控制的模糊集理論可以對(duì)不確定的系統(tǒng)進(jìn)行富有作用的控制,包括模糊化、專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫、模糊推理和清晰化等4個(gè)部分,其工作原理如圖3所示。

圖3 模糊控制器工作原理Fig.3 The working principle of fuzzy controller

模糊控制器在工作中,將控制誤差e及其變化率ec作為系統(tǒng)輸入變量,根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫制定輸入和輸出之間的模糊推理規(guī)則表;然后,根據(jù)實(shí)際的控制誤差e及其變化率ec查詢規(guī)則表,計(jì)算出系統(tǒng)控制輸出量U;最后,進(jìn)行模糊化轉(zhuǎn)換后輸出控制量u作用于被控對(duì)象,實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的精準(zhǔn)控制。

2.2 基于模糊自適應(yīng)整定PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊自適應(yīng)整定PID控制器的工作原理如圖4所示。由其架構(gòu)可知:該控制器是在常規(guī)PID控制器上添加了一個(gè)模糊控制環(huán)節(jié)模塊,且可以根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。

圖4 模糊自適應(yīng)整定PID控制器工作原理Fig.4 The working principle of fuzzy adaptive tuning PID controller

該控制器目的是為了計(jì)算出e和ec與控制器P、I和D參數(shù)之間的關(guān)系,從而在系統(tǒng)工作過程中動(dòng)態(tài)斷根據(jù)e和ec的實(shí)際值,修改P、I、D參數(shù),從而使得被控對(duì)象性能達(dá)到最優(yōu)。

PID參數(shù)模糊自適應(yīng)整定的重點(diǎn)是根據(jù)技術(shù)人員日復(fù)一日積累的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),創(chuàng)建符合被控對(duì)象的模糊控制表,從而得到kp、ki和kd各自自適應(yīng)控制表,分別如表1～表3所示。

表1 kp的模糊規(guī)則表Table 1 The fuzzy rule table of kp

表2 ki的模糊規(guī)則表Table 2 The fuzzy rule table of ki

表3 kd的模糊規(guī)則表Table 3 The fuzzy rule table of kd

確定好kp、ki和kd參數(shù)的模糊規(guī)則表后,便可以對(duì)其進(jìn)行自適應(yīng)校正,然后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行準(zhǔn)確控制。

根據(jù)控制系統(tǒng)特點(diǎn),制定e和ec的論域模糊集,即

e,ec={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5}

(1)

根據(jù)模糊規(guī)則表,結(jié)合e和ec的論域模糊集,確定其模糊子集,即

(2)

再根據(jù)5個(gè)參數(shù)的隸屬度、控制模型和規(guī)則表,可以確定自適應(yīng)校正參數(shù)為

(3)

在對(duì)農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中,通過對(duì)邏輯規(guī)則的處理、查表和計(jì)算,便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊PID參數(shù)的自適應(yīng)整定,其具體的計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 模糊PID參數(shù)的自適應(yīng)整定流程圖Fig.5 The flow chart of adaptive tuning of fuzzy PID parameters

3 仿真實(shí)驗(yàn)的分析

為了對(duì)農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真,基于MatLab/Simulink的仿真工具箱TrueTime對(duì)其進(jìn)行仿真分析,該工具箱可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)調(diào)度仿真。基于TrueTime的農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1)假設(shè)時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包和網(wǎng)絡(luò)雜訊干擾都是0,也就是除數(shù)據(jù)傳輸外,其他額外模塊占用網(wǎng)絡(luò)帶寬BW=0,仿真結(jié)果如圖7所示。

圖6 基于TrueTime的農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The ttructure diagram of network control system of agricultural products freezer based on TrueTime

圖7 其他額外模塊占用網(wǎng)絡(luò)帶寬BW=0的仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results of other additional modules with occupying network BW=0

2)假設(shè)時(shí)延為(0.01s)、數(shù)據(jù)丟包(10%)和網(wǎng)絡(luò)雜訊干擾等三者額外模塊占用30%的網(wǎng)絡(luò)帶寬,即BW=0.3,仿真結(jié)果如圖8所示。

3)假設(shè)時(shí)延為(0.1s)、數(shù)據(jù)丟包(30%)和網(wǎng)絡(luò)雜訊干擾等三者額外模塊占用70%的網(wǎng)絡(luò)帶寬,即BW=0.7,仿真結(jié)果如圖9所示。

圖8 其他額外模塊占用網(wǎng)絡(luò)帶寬BW=0.3的仿真結(jié)果Fig.8 The simulation results of other additional modules with occupying network BW=0.3

圖9 其他額外模塊占用網(wǎng)絡(luò)帶寬BW=0.7的仿真結(jié)果Fig.9 The simulation results of other additional modules with occupying network BW=0.7

由以上3幅仿真圖可以看出:隨著時(shí)延、數(shù)據(jù)丟包和網(wǎng)絡(luò)雜訊干擾占用網(wǎng)絡(luò)帶寬的增加,系統(tǒng)的穩(wěn)定性也在變差。根據(jù)響應(yīng)曲線可得出以下結(jié)論:①在其他額外模塊占用網(wǎng)絡(luò)帶寬為0的情況下,基于模糊自適應(yīng)整定的系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、超調(diào)量小和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn);②在其他額外模塊占用網(wǎng)絡(luò)帶寬為0.3的情況下,基于模糊自適應(yīng)整定的系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、超調(diào)量較小和穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn);③在其他額外模塊占用網(wǎng)絡(luò)帶寬為0.7的情況下,相比常規(guī)PID控制的系統(tǒng),本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)雖然調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)增大,超調(diào)量較大,但穩(wěn)定性還較好。

4 結(jié)論

針對(duì)農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延大、數(shù)據(jù)容易丟失和網(wǎng)絡(luò)干擾大等問題,采用了基于模糊自適應(yīng)整定PID控制器對(duì)其進(jìn)行控制。通過TrueTime仿真工具箱搭建仿真模型,將設(shè)計(jì)的模型和常規(guī)PID進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:設(shè)計(jì)的農(nóng)產(chǎn)品冷凍庫網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。