基于变结构Smith预估模糊PID的温控NCS实时性研究

摘要

随着传统控制方法以及网络通信技术的不断发展和相互融合便出现了网络化控制系统(NCS)，它是将在地理位置上分散的传感器节点、控制器节点以及执行器节点，通过网络组建到一起，从而实现了它们之间的数据通信。NCS的出现充分体现了控制系统的网络化、分布化、集成化、以及节点智能化的发展方向。但是由于引入网络，不可避免会带来一些问题：如不确定的网络延迟，主要表现为网络传输时延的随机性和时变性。这个问题与多方面原因有关：如采用的网络通信协议、网络体系结构以及网络上的负载数目等。传输时延的存在，会不同程度地影响网络化控制系统的控制品质，严重时甚至会造成系统的不稳定。加之如果被控对象也存在较大纯滞后时延，不仅可能会使NCS系统更加地不稳定甚至不可控，而且给NCS的分析和设计增加了困难。因此对于网络化控制系统的实时性研究与分析就显得格外重要。
　　 本论文针对B&R温控装置的特点：非线性、难于得到其精确的数学模型、被控对象时延较长、且易于受到环境因素的干扰等，难于选择控制器参数，在此基础上将经典史密斯预估控制和模糊控制以及传统PID控制原理相结合，经过反复比较，采用变结构的Smith预估模糊PID方法来设计带有该类型被控对象的网络化控制系统。
　　 Smith预估补偿的做法是，在系统中某处增加控制支路，使其能与传递函数分母中的滞后环节相消。传统的PID控制由于其简单的结构、且较好的稳定性以及较高的可靠性等优点，使其在工业控制中得到广泛应用。由于与模糊控制原理相结合，使得系统对于外界的干扰相对于普通控制算法显得不是很敏感，对提高系统的抗干扰能力有很大帮助。在设计时进行了一些结构上的调整，使该网络化控制系统在结构上实现了对网络传输延时和被控对象延时的双重动态预估补偿，提高了系统的实时性，而且简化了NCS的设计难度，具体会在第3章中进行介绍。
　　 在本论文的第4章中，展示了基于变结构的Smith预估模糊PID温控NCS的仿真结果，分两种情况进行仿真和讨论：第一：网络既存在传输时延也具有一定数据丢包(丢包概率p=0.3)；第二：网络仅存在传输时延(丢包概率p=0)。从仿真结果发现，当采用变结构的Smith预估模糊PID控制方法来处理含有长时延不稳定等特点的被控对象的NCS时，可提高系统的鲁棒性、动态性和和抗干扰能力。因此证明该控制方法在解决此类问题时具有一定的优势。
　　 在本论文的第5章中，结合Truetime1.5和Simulink以及贝加莱公司提供的特殊模块搭建了相应的温控NCS模型，采用该公司提供的Automation Studio软件进行实验，并展示了最终的实验结果。从实验中也再次证明了该控制方法的有效性。