張曉倩+宋曉茹

摘要：為了研究網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不同的控制算法對系統(tǒng)的影響，利用Matlab中Simulink模塊和TrueTime工具箱搭建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在一定時延時，分別搭建采用PID控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型和采用T-S模糊控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型，仿真分析系統(tǒng)的輸出曲線，結(jié)果表明：采用T-S模糊控制器的系統(tǒng)輸出曲線超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，很快達到穩(wěn)定，說明基于T-S模糊模型的控制算法能夠補償時延，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；T-S模糊控制器；TrueTime工具箱；穩(wěn)定性

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A

Abstract：In order to study the influence of different control algorithms on the networked control system，the model of networked control system is built by usingsimulink module in matlaband TrueTime toolbox，Models are built respectively by using PID controller of networked control system and T-S fuzzy controller of networked control system，simulation analysis of the output curve of system when networked control system has some time delay. The results show： the system output curve with T-S fuzzy controllerhave small overshoot， short adjusting time， quickly achieve stability， control algorithm based on T-S fuzzymodel can compensate delay， improve the stability of system.

Key words： Networked control system， T-S fuzzy controller，TrueTime toolbox， Stability

1.引言

傳感器從被控對象中采集信息，通過通信網(wǎng)絡(luò)把采集并處理過的信息發(fā)送給控制器，控制器根據(jù)控制算法得到的控制信號通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給執(zhí)行器，執(zhí)行器收到控制信號作用于被控對象，構(gòu)成的閉環(huán)的、分布式的控制系統(tǒng)，稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[1]（Networked Control System，NCS）。李建東[2]在基于線性矩陣不等式的條件下，給出系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件和魯棒控制器，通過相關(guān)的數(shù)值例子來研究基于T-S模糊控制器對網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的有效性。郝星華等[3]研究基于T-S模糊控制器的帶有一定丟包率的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，并設(shè)計出一種鎮(zhèn)定T-S模糊控制器的方法。顧艷麗等[4]先介紹基于T-S模糊控制器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，再研究基于T-S模糊控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)魯棒控制，最后總結(jié)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及魯棒控制等問題。但并沒有針對基于T-S模糊控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進行建模、編寫各個模塊程序、仿真分析。本文先搭建T-S模糊控制器模型，并應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型中，再編寫傳感器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分的程序，最后通過仿真結(jié)果說明該控制算法能夠有效的補償時延，提高網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.T-S模糊控制器的特點

建立的相對準(zhǔn)確的被控對象的數(shù)學(xué)模型，采用一般的控制理論來設(shè)計控制器，實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制；但是實際中的很多系統(tǒng)是很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，采用模糊控制可以不建立被控對象的數(shù)學(xué)模型，對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應(yīng)性，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。因為被控對象的動態(tài)特性隱含在模糊控制器輸入、輸出模糊集和模糊規(guī)則中。

T-S模糊控制器的特點是控制規(guī)則前件采用模糊量集合，后件模糊輸出的是精確的線性函數(shù)，有利于控制器的系統(tǒng)化分析和設(shè)計。由于后件模糊輸出的是精確的線性函數(shù)，使得T-S模糊PID控制器實現(xiàn)了對輸入信號的局域線性控制和全域的非線性控制，從而使得T-S模糊控制器既保留了一般PID控制器帶來的控制方式簡單的優(yōu)點，又能適用于非線性、時變及滯后系統(tǒng)的控制，證明了模糊控制的魯棒性強。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中加入網(wǎng)絡(luò)，從而帶來一系列的問題，如時延、數(shù)據(jù)丟包等。由于網(wǎng)絡(luò)速率、網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前空閑情況的時變，采用一般PID控制算法設(shè)定固定的P、I、D的值來控制數(shù)據(jù)的收發(fā)很容易造成較大的時延、甚至是數(shù)據(jù)包丟失；采用T-S模糊控制算法來控制網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，根據(jù)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)通信情況來調(diào)整P、I、D的值，以便更快、準(zhǔn)確的收發(fā)數(shù)據(jù)。

3.T-S模糊控制器

3.2 T-S模糊控制器設(shè)計

（1）在Matlab命令窗口中輸入fuzzy，按回車鍵，則彈出默認(rèn)為Mamdani型的FIS Editor界面。

（2）在Mamdani型的FIS Editor界面上，選擇菜單命令File→NewFIS→Sugeno，則彈出Sugeno型的FIS Editor界面，就建立好Sugeno型模糊系統(tǒng)的FIS Editor界面。根據(jù)本課題模糊控制器的要求，輸入變量有兩個；于是，選擇菜單命令Edit→AddVariable→Input，此時的FIS就成為二維的；選擇菜單File→Export→To File，以TS1為名稱進行保存。完后成上述操作后，F(xiàn)IS Editor的界面如圖1所示。

（3）模糊邏輯推理的算法會影響系統(tǒng)的輸出，這里設(shè)置And method與方法為prod、Or method或方法為probor、Defuzzification反模糊化為wtaver。

（4）單擊input1?？颍诋?dāng)期變量區(qū)，設(shè)置其名稱為E。單擊input2?？?，在當(dāng)前變量區(qū)，設(shè)置其名稱為EC。單擊output1模框，在當(dāng)前變量區(qū)，設(shè)置其名稱為f（u）。

（5）單擊E?？?qū)﹄`屬度函數(shù)設(shè)置為三角形隸屬度函數(shù)，論域設(shè)置為[-2，2]，模糊量化等級設(shè)為五個分別為NB、NS、Z0、PS、PB。單擊EC模框?qū)﹄`屬度函數(shù)設(shè)置為三角形隸屬度函數(shù)，論域設(shè)置為[-3，3]，模糊量化等級設(shè)為三個分別為N、Z0、P。單擊f（u）模框設(shè)置十個線性函數(shù)分別命名為mf1、mf2、mf3、mf4、mf5、mf6、mf7、mf8、mf9、mf10，分別對這十個線性函數(shù)按確定的模糊控制器的參數(shù)進行設(shè)置編輯，得到模糊控制編輯器。

（6）模糊控制規(guī)則作為模糊控制的核心組成部分，其編輯過程是通過對模糊編輯器中的Sugeno模塊進行編輯而得來的。形如if （E is NB） and （EC is N） then （f（u） is mf1），輸入完一條單擊“Add rule”，即可添加一條規(guī)則。

3.3 T-S模糊控制器模型

T-S模糊控制器模型如圖2所示。

T-S模糊控制器由兩部分組成，第一部分是T-S模糊控制器和PID控制所結(jié)合的參數(shù)自整定模糊PID控制器，它的主要作用是通過模糊推理對PID控制的P、I、D三個參數(shù)進行處理和調(diào)節(jié)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)不同的E與EC對控制器參數(shù)的不同要求，第二部分由網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的控制器的實時內(nèi)核模塊組成，它的主要作用是在Rcv端口接收模糊PID控制器處理過的控制信號，然后經(jīng)由Snd端將信號傳送到網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊。

4.仿真研究

利用Matlab軟件中的Simulink模塊庫和Truetime 1.5工具箱中的相關(guān)模塊搭建網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，其中：搭建基于PID控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型如圖3所示，系統(tǒng)輸出曲線結(jié)果如圖5所示；搭建基于T-S模糊控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型如圖4所示，圖2構(gòu)建的T-S模糊控制器嵌入到圖5中的控制器，系統(tǒng)輸出曲線結(jié)果如圖6所示。

圖3、4中的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的被控對象傳遞函數(shù)都為

其中：輸入信號為階躍信號，網(wǎng)絡(luò)類型為CSMA/AMP（CAN），網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率為80Kbits/s，采樣周期h=0.01s，干擾為0，時延為0.011s，采用PID控制器的參數(shù)：K=1，TD=0.04，采用T-S模糊控制器的參數(shù)具體設(shè)置在模糊規(guī)則中體現(xiàn)。

由圖5和圖6可以看出，當(dāng)時延為0.011s時，采用一般PID控制器的系統(tǒng)輸出曲線已經(jīng)離散且失去穩(wěn)定，而采用T-S模糊PID控制器的系統(tǒng)輸出曲線經(jīng)歷兩次震蕩后系統(tǒng)就趨于穩(wěn)定且超調(diào)量小，所用的調(diào)節(jié)時間只有0.2s，由此可以看出，采用T-S模糊模型的控制算法能夠有效的補償時延，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5. 結(jié)論

本文從不同控制策略的角度出發(fā)，分別建立基于PID控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型、基于T-S模糊控制器的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)模型，兩個模型設(shè)置相同的控制網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的速率、網(wǎng)絡(luò)時延，通過仿真結(jié)果說明基于T-S模糊模型的控制算法控制效果良好，魯棒性強。

參考文獻

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