（电力电子与电力传动专业论文）网络化模糊控制系统的设计与实现.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rs c i e n c ea n dn e r k t e c h n o l o g y , g r e a tc h a n g e sh a v et a k e np l a c ei nt h ea u t o m a t i o n f i e l d n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mf n c s ) ，a st h ee x t e n s i o no fc o m p u t e rn e t w o r k i nt h ef i e l do fc o n t r o l ，i sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o nf i e l d a n d p r o c e s sc o n t r o lf i e l d aw a y t os o l v et h ep r o b l e m si nn c si sp r o v i d e d b yc o m b i n i n gt h ef u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dn e t w o r k e dc o n t r 0 1 t h et y p i c a ls t r u c t u r eo fn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e ma n dt i m ed e l a y m o d e lu n d e rt h ee n v i r o n m e n to ft h en e t w o r ki sa n a l y z e di n i t i a l l yi nt h i s d i s s e r t a t i o n ，s t a t i n gt h ea f f e c t so fn e t w o r kd e l a yt ot h ep e r f o r m a n c eo f c o n t r o l l i n g t h e nan e t w o r k e df u z z yc o n t r o l l e ri sd e s i g n e di na c c o r d a n c e w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fn c s a tt h es a m et i m e ，a d o p t st h ee l m a nn n t o p r e d i c t t h et i m e d e l a y s a c c o r d i n gt ot h et i m ed e l a y sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a n tt ob ec o n t r o l l e d ，t h ep a r a m e t e r sc a nb e a d j u s t e d ，a n dt h ef u z z yc o n t r o lr u l e sc a nb em o d i f i e d t h ep e r f o r m a n c eo f t h en e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e mw 8 5o p t i m i z e da n di m p r o v e d f i n a l l yt h e n e t w o r k e df u z z yc o n t r o l l e ri sr e a l i z e do nt h en e t c o nc o n t r o l l e ra n di s a p p l i e dt ot h ei n d u s t r yp r o c e s sc o n t r o ll a bo fc e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y k e yw o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o l s y s t e m ， n e t w o r k e d f u z z y c o n t r o l l e r ，t i m ed e l a y s ，t i m e - d e l a y s p r e d i c t i o n u 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：童垦兰篷日期：生年月三日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：隹型叁导师签名作者签名：生鉴! 塾导师签名 硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题研究意义 第一章绪论 计算机技术和网络通信技术的迅猛发展，引发了控制领域深刻的技术变革， 并对企业信息化和自动化领域的发展也产生了巨大的影响。在企业信息化和自动 化领域，计算机技术、信息技术、控制技术、网络技术和通信技术的结合，孕育 了网络控制系统( n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ，n c s ) ，又称为网络化控制系统。网 络化控制系统是目前控制领域的研究热点。这些技术，尤其是网络技术和通信技 术不断发展的积极推动下，网络化控制技术得到了迅速的发展，突出表现在： ( 1 ) 集散控制系统( d c s ) 的网络化。数字化和网络化成为当今控制网络发展 主要方向的今天，作为有非常广泛应用的控制系统模型，集散控制系统 在传统点对点通讯模型的基础上进行技术更新，采用与现场总线技术、 以太网技术集成的方法，来满足新的控制要求。 ( 2 ) 以现场总线为底层的控制网络的发展。在现场总线的体系结构与参考模 型、仪表的数字化与智能化、应用软件的开发平台与工具、现场总线的 应用等方面都取得了很大的发展。 ( 3 ) 在o s i 体系结构、控制网络的组网技术、实时网络操作系统、可靠性技 术等方面进行的深入研究，特别是以太网控制网络的研究，推动了生产 过程向更高层次的自动化水平发展。 ( 4 ) 控制网络与信息网络的集成。作为控制网络技术发展的一个热点，各种 控制网络与信息网络的集成技术日益成熟，网络集成的产品化程度不断 提高，统一的企业网络的构想将为企业计算机综合自动化打下坚实的基 础。 ( 5 ) 控制网络新技术的不断涌现。 嵌入式技术推动着嵌入式控制器的发展，而且嵌入式技术正朝着控制网 络开放性发展的方向迈进。 计算机领域的o p c ( o l ef o rp r o c e s sc o n t r 0 1 ) 技术、集成软件套件技术、 硕士学位论文第1 章绪论 w e b 技术、国际公认的网络协议t c p ，i p 以及网络管理技术已经逐渐融 合到控制网络技术中，大大推动了控制网络技术的发展。 网络化控制系统提出了一个全新的控制网络结构，不但实现了控制系 统、控制设备的协调工作，而且也为实现控制网络与信息网络的无缝集 成，创建统一的企业网络提供强有力的技术支持，为企业实施e r p 创 造了良好的条件。 在我国，随着集散控制系统、现场总线系统、甚至工业以太网的应用，自动 化正在工业企业中广泛普及，但还是有很多国内企业仍处于模拟仪表和人工控制 的阶段。尽管企业对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有 的仪表系统做太大的改动。大多数企业倾向于对现有仪表进行逐步的增添、替换 或改进。所以在较长时间内，这些企业不可能直接一步就全面采用最先进的网络 化控制技术。为了促进现场设备的网络化和数字化，同时基本保证最大限度使用 现有设备网络化控制系统在我国的发展是循序渐进的。在集散控制系统的基础上 集成现场总线是一种方案，而直接结合以太网采用交换以太网的形式也是一种革 新。另外，现场总线和以太网的集成也是网络化控制的一种发展方向。 国外对于工业以太网的研究始于1 9 9 5 年前后，而国内对其研究则是刚刚起 步。基于国内外控制系统的研究情况，在实验室建立实验型以太网控制系统，并 在这个基础上进行相关的工程理论研究就显得尤为重要，其中包括对控制性能、 实时世、抗干扰性、稳定性等的研究。 本文针对网络化控制中由于延时不确定性导致的一系列问题，结合模糊控制 思想设计了一套网络化模糊控制系统，采用基于神经网络的网络延时的预测方 法，减少了网络延时对控制性能的影响，对网络化控制具有一定的实际意义。 1 2 网络化控制系统研究概述 1 2 l 网络化控制系统的发展 计算机控制系统的发展，先后经历了离散数字控制( d d c ) 、中小型计算机共 同作用的分层递阶控制，7 0 年代中期发展起来的集散控锘i j ( d c s ) ，以及8 0 年代 末发展起来的现场总线控制( f c s ) ，9 0 年代开始了以太网在工业控制上的广泛研 究【1 1 。d c s 控制体现了控制系统的网络化发展趋势，现场总线的产生使这种趋势 变得更加明显和具体，以太网在工业上应用的研究使得控制结构进一步网络化和 2 硕士学位论文第1 章绪论 集成化。 集散控制系统打破了计算机控制系统发展初期由单台计算机统管整个车间 甚至工厂的集中控制模式，把整个生产过程分解为多个子系统，由多台计算机共 同协作完成自控系统功能，每台计算机或微处理器独立承担其中某一部分功能。 这种系统的优点是针对集中控制模式中危险集中的弊端，但在其物理结构上，仍 然为模拟数字混合系统【2 l 。 集散控制系统体系结构仍然有许多不尽人意的地方，比如各公司都有各自的 标准，系统封闭，不能互联，所谓分散控制也不是完全彻底的，而所谓的数字化 也仅是半数字化而已。尽管这些年来，人们在集散控制系统的框架内做了很多使 系统开放的努力，最终只能取得有限的改良效果，因此迫切需要有更好的控制系 统，以实现真正意义上的全数字、开放、互联以及高可靠性。 伴随着微电子技术的不断发展和网络技术的快速发展以及智能化仪表的发 展和广泛应用，加之工业自动化程度不断提出高要求，集散控制系统快速地向着 两个方向发展：一个是计算机控制系统向高层次发展，使面向过程控制d c s 和 面向生产管理与生产调度系统的管理信息系统( m i s ) 集成，组成了计算机集成制 造系统( c o m p u t e r - i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c m s ) 和计算机集成过程控制 系统( c o m p u t 昏i n t c g r a t e dp r o c e s s - c o n t r o ls y s t e m ，c i p s ) ；二是计算机控制系统向 生产的过程低层次渗透，将系统中的过程工作站下沉到工作现场。要成功地实施 c i m s c i p s 还要解决一个关键的问题，这就是最低层的网络通信问题。现场总线 技术使现代c i m s 的网络体系结构简化为三级网络。 现场总线系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ，f c s ) 1 3 由于采用了智能现场设备， 能够把原先集散控制系统中处于控制室的控制模块、各输入输出模块置入现场设 备，加上现场设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行机构直 接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在 现场完成，实现了彻底的分散系统。一般认为集散控制系统是属于封闭性的控制 系统，而f c s 是开放性的系统。但事实上，目前各种现场总线标准共存、同一 生产现场有几种异构网络互连通讯的局面，使得现场总线不具备真正的开放性， 按不同总线标准生产的设备之间也不可能实现互换。 进入2 1 世纪，自动化与工业控制技术需要更深层次结合的通信与网络技术。 3 硕士学位论文 第1 章绪论 一方面，现代工厂与智能设备传感器、控制器、执行器分布在不同的空间，其间 的通信需要数据通讯网络来实现，这是网络环境下典型的控制系统【4 1 。 如上所述，从历史上看，传统控制系统的通讯方式是点对点的，包括早期的 d c s 。目前这种方式已经越来越不能适应某些新的需求，比如模块化、集散分布、 综合诊断、快捷方便的维护及低成本化等、从整体上看，计算机控制系统已呈现 出向网络化、集成化、节点智能化、分布化的发展趋势。例如集散控制系统，尽 管它还不具备开放性，控制功能也相对集中，但是适应了现场控制的需要，表现 出网络化的结构特性，而现场总线控制系统和工业以太网，从一开始适应了这一 趋势，是完全网络化、分布化的控制系统。我们称这种控制系统( 以网络化d c s 、 f c s 、工业以太网为代表) 为网络化控制系统( n c s ) ，n c s 的出现正好解决了以上 所述的新需求。 1 2 2 网络化控制系统特点 网络化控制系统指在某个区域内一些现场检测，控制及操作设备和通信线路 的集合，用以提供设备之间的数据传输，使该区域内不同地点的设备和用户实现 资源共享和协调操作。广义的网络化控制系统包括狭义的在内，而且还包括通过 企业信息网络以及i n t e r n e t 实现对工厂车间、生产线甚至现场设备的监视与控制 等。这里的“网络化”一方面体现在由于控制网络的引入，现场设备控制进一步 趋向于分布化、扁平化和网络化，其拓扑结构参照计算机局域网，包含星型、总 线型和环型等几种形式；另一方面体现在现场控制与上层管理相联系，将孤立的 自动化孤岛连接起来形成网络结构。具体来说，网络化控制系统具有如下特点： ( 1 ) 结构网络化。网络化控制系统最显著的特点体现在网络化体系结构上， 它支持如总线型、星型、树型等拓扑结构与分层控制系统的递阶结构相比显得更 加稳定。 ( 2 ) 节点智能化。带有c p u 的智能化节点之间通过网络实现信息传输和功能 协调，每个节点都是组成网络化控制系统的一个细胞，且具有各自相对独立的功 能。 ( 3 ) 控制现场化和功能分散化。网络化结构使原先由中央控制器实现的任务 下放到智能化现场设备上执行，这使危险因素得到分散，从而提高了系统的可靠 性和安全性。 4 硕士学位论文第1 章绪论 ( 4 ) 系统开放化和产品集成化。网络化控制系统的开发是遵循一定标准进行 的，是一个开放性的系统，只要不同厂商根据统一标准来开发自己的产品，这些 产品之间便能实现工操作和集成。 1 2 3 国内外研究现状 国际上， n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s 最早于1 9 9 8 年出现在马里兰大学g c w a l s h 的论著中，但未给出明确的定义，只是用图示说明了网络化控制系统的结 构，指出在该系统中控制器与传感器通过串行通信形成闭环。最近几年，网络的 普及和性能的提高使得采用大型网络，加速了网络化控制领域的研究，如r o g e l i o 针对模型( 时间驱动) 提出了基于观测器的分布延迟补偿器，用队列和一个概率预 报器来进行延时补偿1 5 1 ，r a y 对随机时变分布延迟下的输出反馈延时网络系统进 行研究，基于最小方差滤波器和动态规划原理，得到了具有随机延迟补偿的l q r 控制器( d c l q r ) 忙l ，n i l s s o n 采用时间驱动传感器，控制器和执行器采用事件驱动 的工作方式【_ ”，假设延时的概率分布已知，且不超过一个采样周期，并利用m a r k o v 链对网络延时的概率分布进行了建模，给出了闭环网络系统的l q g 随机最优控制 律，该控制律满足确定性等价原理。在网络延时研究领域，网络延时分析与预测 被用于进行拥塞控制、流量管理等研究。美国v b n s ( v e r yh i 曲s p e e db a c k b o n e n e t w o r ks e r v i c e ) 计划在美国n s f ( n a t i o n a ls e i e n e e f o u n d a t i o n ) 支持下实时检测其 骨干网络流量并发布检测结果。k v d e r w a l 针对i n t e m e t j 占音交互服务进行了网 络延时特性分析，将延时分为编码、打包、输入等7 个组成部分，并根据具体连 接的距离、带宽、数据包尺寸等因素计算数据包到达其目的站点的延时嗍。d e c o m e r 介绍了一般的t c p 协议规范和用于t c p 重传的延时估计公式 9 1 。 在国内，在网络化控制这个领域起步较晚，技术水平还有一定差耐1 0 l 。目前， 北京理工大学的任长清针对基于互联网的液压远程控制设计了补偿器的结构来 解决网络延时问题 1 1 1 ；同济大学的于之训等用了“网络化控制系统”，将 乙和综 合的方法引入控制器的设计 1 2 , 1 3 1 ，文献【1 3 】中给出了将传输延迟的不确定性转化 为不确定块的等价框图，并用m a t l a b 的分析和综合工具箱设计了鲁棒控制 器，使得闭环系统具有较好的抗干扰能力，北京理工大学的王晓峰等研究了基于 t c p i p 网络的远程伺服控制系统，提出一种动态模糊控制烈1 4 】；同时国内的一 些企业也开始研究并推出网络化控制器的产品，如浙大中自集成控制股份有限公 硕士学位论文第1 章绪论 司推出的m i e r o d c s ，兼有传统d c s 的可靠性、稳定性以及f c s 系统的开放性 和友好性，中科院的自动化研究所刘国平教授设计研制了基于嵌入式u c l i n u x 的n e t c o n 网络化控制系统，都引起了网络控制领域各学者的关注【悯。在网络延 时预测方面，同济大学的陈辉堂给出了由四部分组成的网络延时公式【1 6 1 ；中科院 沈阳自动化研究所的王庆鹏则根据t c p 协议规范推导网络往返传输延时r 1 广r ( r o u n dt r i pt i m e ) 公式埘，并用于网络拥塞控制。 由以上分析可知，网络化控制已经成为未来工业控制领域一个不可忽视的发 展趋势。 1 3 网络化控制系统中存在的主要问题 网络化控制系统作为一种控制系统，具有一般控制系统的基本特征。由于网 络的介入，使得网络化控制系统具有自己的特征，一个特征就是在网络化控制系 统中，系统内部的数据信息的交换是通过网络，在控制系统各个部分之间传递的。 图1 1 显示了一个网络化控制系统的典型结构图1 明以及系统内部数据信息的流 向图，其中虚线表示数据信息流向。 图1 - 1 网络化控制系统的典型结构图 控制网络 网络在控制系统中的应用，一方面带来了很多传统控制系统所不具备的优 点，如：更好的控制性能、低成本、易维护性以及较好的可靠性；另一方面，网 络的介入使得控制系统的设计和分析愈加复杂。很多传统控制理论带有理想化假 设条件，如控制过程的同步、在传感器和执行器之间不存在延时等。如果用在网 络化控制系统上就必须进行修正，尤其是以下几个问题，在网络化控制系统的设 6 硕士学位论文第1 章绪论 计和分析中是一定要加以考虑的。 一个是网络系统中存在由网络引起的延时主要是由共享传输介质引起的，包 括传感器到控制器之间的延时，控制器到执行器之间的延时等。这种延时的形式 多样，有固定的、也有时变的，如果在系统设计过程中不考虑这个因素，则有可 能降低系统的控制性能，甚至直接影响系统的稳定性【1 9 1 。在存在延时的基础上， 控制系统的采样率的选择也是一个能影响系统控制性能的因素。 另一个是应该把网络看成具有不完全可靠传输路径特征的网络，有些数据包 在传输过程中会存在延时，更严重的，有些数据包会在传输过程中被丢失。所以 也在研究网络化控制系统性能的问题上，就必须对数据包的丢失加以考虑。 网络化控制系统的稳定性f 2 0 - 2 2 , 3 0 ，主要涉及网络本身的稳定性以及控制系统 的稳定性两个方面：网络本身的稳定性是通过每个节点队列中的信息量来定义 的，如果该信息量大于某一常数或者随着时间的增长信息量趋于无穷大时，就称 该网络是不稳定的。网络系统的不稳定将有可能直接导致整个系统的不稳定，但 也有这样一种情况，就是在一个系统中，网络系统本身是稳定的，但控制系统却 是不稳定的，反之亦然。在对网络化控制系统的研究中，很多时候是着眼网络系 统中的因素对整个系统稳定性的影响，就是前面提到的，包括信息的最大允许传 输间隔、采样率以及数据包丢失率等。 综上所述，网络化控制系统的设计要比传统控制系统设计考虑的因素更多。 一般而言，常用两种主要的设计方法，将这些因素融合起来考虑。一种是在不考 虑延时和数据包丢失的情况下先直接设计控制系统，但是在设计通讯协议中要对 这些因素加以考虑，把这些因素对系统性能的影响降低到最低限度。在网络通讯 遇到的流量超过其所能处理的限度时，在通讯协议中通过拥塞控制( c o n g e s t i o n c o n t r 0 1 ) 田】和回避算法( a v o i d a n c ea l g o r i t h m s ) 1 2 4 1 等方法来获得系统更好的控制性 能。在文献 2 5 】中提到的一种新颖的a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) 拥塞控制算法，就是 一种能根据网络状况自动适应变化着的算法，并且对于网络延时具有鲁棒性。另 一种设计方法是把网络协议和网络流量看成一种给定的情况，然后设计在这种情 况下的控制策略。如在文献e 2 5 中提到为了更好处理延时，采用了一种基于延 时微分方程的控制策略。 7 硕士学位论文第1 章绪论 1 4 论文主要内容及构成 本论文以网络化控制系统为研究对象，针对网络延时对控制性能产生影响这 个问题，在文献研究和开发实践的基础上，对网络的延时进行了特性统计，分析 了网络延时的原因、规律和预测算法，提出一种网络化模糊系统的解决方案。 论文构成如下： 第二章提出一种针对网络化控制中延时问题的鳃决方案网络化模糊控制系 统，详细阐述了该网络化模糊控制系统中各模块的设计和仿真试验研究，其中的 智能延时预测模块在第三章详细论述。 第三章对网络化控制系统中的网络延时特征进行详尽的分析，分析了网络延 时的原因、规律，在此基础上重点阐述了利用神经网络动态逼近的特性对网络延 时进行有效的预测，仿真实验证明该预测方法优于传统的延时预测方法。 第四章以中南大学过程控制系统实验室现有实验装置为实验对象，详细阐述 了该套系统在过程控制中的实际应用情况。从具体实现的每一个步骤到最后的实 验数据、曲线和实验分析都进行了一一说明。 第五章是总结与展望，对论文进行总结，提出今后改进方案和研发方向。 8 硕士学位论文第2 章网络化控制器设计 第二章网络化模糊控制系统设计 近年来，随着网络技术与控制技术的不断发展，基于网络的远程控制越来越 成为控制领域关注的话题。本章针对网络传输延时不确定的特性以及远程被控对 象的非线性、难于精确建立数学模型的特性，将模糊控制思想应用到远程的网络 化控制系统中，设计了一种网络化模糊控制系统，实现了对不同非线性被控对象 的远程控制。 2 1 网络环境下控制系统分析 2 1 1 网络化控制系统的典型结构 随着计算机及网络技术的发展，远程控制的距离也在增加。图2 1 是基于网 络环境下系统的典型结构图，系统中的前向通道和反馈通道均由网络构成，因此 理论上这一控制系统的控制距离可以使远程控制实现在任何时间、任何地点，对 网络上的任何设备的机械运动进行控制和操作。同时，因特网中路由器多采用动 态路由协议，依据因特网负载状况来选择传递路由，因特网负载的实时变化会造 成信息的传递路由动态变化，信息传递不但具有延时，其延时还具有不确定性 2 6 1 。 延时的不确定性造成的系统不稳定甚至根本无法控制，这是阻碍远程控制采用因 特网的主要原因。 图2 - 1 网络化控制系统 在2 1 图中，f ”表示n c s 中传感器到控制器的传输延迟，f 。表示控制器到执 9 硕士学位论文第2 章网络化控制器设计 行器的传输延迟，f 。为控制器的计算时间，值较小可将其归并入f “。网络延时 f k = f ”+ f 4 + f 。( 2 1 ) 2 1 2 网络化控制系统延时建模 为了满足企业现场设备到控制、管理各个层次信息交换的需求，工业网络在 开放性，互连性，宽带方面都提出了更高的要求。以太网是一种成熟的、快速的 网络协议，由于其具有全球的开放性、价格低廉、共享资源丰富等特点，受到广 泛的技术支持，已经基本垄断了商业领域的网络通信市场。以太网的标准带宽为 1 0 m b p s ，近期发展的快速以太网( 1 0 0 m b l ；i s ) 以及千兆以太网使其能够胜任成为整 个企业范围的主干网络。 以太网采用的是带冲突检测的载波侦听多路访问协议( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s 诵t l lc o l l i s i o nd e t e c t i o n ， c s m a c d ) ，带有非确定性。当一个节点要发 送数据时，它先监听网络，如果网络忙，则一直等到网络空闲下来；否则它将立 即发送数据。如果两个或者更多节点监听到网络空闲，并决定同时发送数据，传 送冲突就发生了，发送的数据也就损坏丢失了。在发送数据的时候，节点也必须 继续监听网络，以免发现冲突。因此，以太网被认为是一种非确定性的网络系统。 对于响应时间要求严格的控制过程会存在产生冲突的可能性，造成响应时间不确 定，使信息不能够按要求正常传递。 当以太网发展到今天的交换式以太网时，这些问题已得到解决： ( 1 ) 采用以太网交换机将网络切分为多个网段，这样就为连接在其端口上的 每个网络节点提供了独立的宽带，使同一交换机上的不同设备之间不存 在资源竞争口6 1 ，有效避免了节点之间信号的冲突。 ( 2 ) 采用高速背板交换或微处理器交换，响应时间是确定的。据a r c 公司的 分析，1 2 6 个节点的1 0 0 m 交换式以太网的响应时间是2 3 m s 【2 6 】，几乎可 以满足各种控制系统的要求。 ( 3 ) 现代以太网采用非屏蔽双绞线，它的抗干扰能力与4 - 2 0 m a 模拟传输信道 相当。 ( 4 ) 以太网易与i n t e m e t 集成。t c p f i p 协议已成为全球共用的通讯协议，应用 t c p i p 协议的以太网已经成为最流行的分组交换局域网技术，同时也是 最具开放性的网络技术。 1 0 硕士学位论文 第2 章网络化控制器设计 为了建立以太网延时模型，做以下假设 2 7 1 ( 1 ) 信号在网络间传输无错误，不发生阻塞 ( 2 ) 网络工作在较小负荷下( 量化因子和反量化因子的选择； 模糊推理； 解模糊方法； 因此，在本文提出的网络化模糊控制系统设计中，考虑到了控制的效果和网 络延时对以上各个环节参数的变动。 ( 1 ) 确定模糊控制器的结构 所谓模糊控制器结构的确定，就是确定模糊控制器的输入变量和输出变量 ( 即控制量) 。针对液位过程控制系统的模糊控制器，本文采用检测到的水箱液位 的高度与给定的高度参考值的偏差p 和偏差变化率e c 作为输入交量，控制量为 u ，经d a 转换、功率放大后，作为控制液压系统中电动阀的电信号。 ( 2 ) 输入输出变量的论域 偏差占和偏差变化率e 由实际偏差s 变化率e e 量化得来，实际控制量甜对应 控制量u ，即e = 也e ，e o = k e ，甜= k 。+ u ；e 、丘和u 论域分别取值为： e = - 6 ，- 5 ，_ 4 ，- 3 ，- 2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 z o = - 3 ，- 2 ，一1 ，0 ，l ，2 ，3 u = - 6 ，一5 ，_ 4 ，- 3 ，_ 2 ，一1 ，0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 l ( 3 ) 模糊集合 对偏差e 、偏差变化率e ，、及控制量u 的模糊集分别定义如下： e = b ，n m ，嬲，z d ，p s ，p m ，p b ) e c = 心8 ，n m 。z o ，p m ，p 戤 1 6 硕士学位论文第2 章网络化控制器设计 u = n 8 ，n m ，n s ，z o ，p s ，p m ，p b ( 4 ) 隶属度函数 隶属函数是对模糊概念的定量描述，常用的有高斯函数、三角函数、梯形函 数、s 形函数、z 形函数等1 3 0 。一般隶属函数的形状越陡，分辨率越高，灵敏度 也越高；相反，若隶属函数的变化很缓慢，则控制特性也较平缓，系统的稳定性 较好。因此，在选择语言值的隶属函数时，一般在误差为零的附近区域，采用分 辨率较高的隶属函数，而在误差较大的区域，可采用分辨率较低的隶属函数朔。 在网络化糊控制器的隶属度函数设计上，考虑到e 控制的精度不能太高， 故e 的隶属度函数都采用并不常用的梯形隶属函数，曲线如图2 7 所示，e 和【， 采用三角形隶属函数，曲线如图2 - 6 ，2 - 8 。 n bn mn sz o p sp mp b l 0 5 o - 6- 4 n b - 20246 图2 - 6 变量e 的隶属度函数 n mz op m p b 图2 - 7 变量e 的隶属度函数 - 6_ 4 - 2 02 46 图2 - 8 变量( ，的隶属度函数 1 7 硕士学位论文第2 章网络化控制器设计 ( 5 ) 模糊控制规则表 模糊控制规则选取的基本原则是当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除 误差为主；当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以满足控制精度为主要 出发点。根据这一原则制定一系列的控制规则，再将这些控制的规则汇总为表， 就得到了模糊推理规则表2 - 1 。 表2 - 1 模糊控制规则表 心 n bn m n sz o p sp mp b n bp bp bp bp bp mp sz o n mp bp bp mp mp sz oz o z op mp s p sz on s n sn m p mz oz on sn mn mn bn b p bz on sn mn bn bn bn b 2 3 3 参数的智能修正 在模糊控制器设计中，系统的动态、静态特性主要取决与量化因子t 和k 和比例因子屯。常规模糊控制器的量化因子、比例因子是一次性确定的，不能 适应对象变化的情况，因此，无法得到理想的控制效果。在考虑系统快速性以及 稳定性的基础上，根据预测延时f 所在范围和误差p 对量化因子屯、k 与比例 因子屯进行智能修正。 参数智能调整的思想来源与对传统模糊控制器的量化因子和比例因子的在 线调整。一般来说，传统模糊控制也、k 和屯对系统系统性能影响为h 0 1 ：t 越 大，系统上升时间越短，有超调且并使系统过渡过程变长；k e 越小，系统上升时 1 8 硕士学位论文 第2 章网络化控制器设计 间越长；七。越大，抑制超调作用越大，系统反应越迟钝；k 越小，系统反应越 灵敏；吒越大，系统上升时间越短，但容易产生振荡；丸越小，使系统动态过 程变长。因此，在偏差较大时采用较大也、屯和较小k 以加快响应速度；在偏 差较小时采用较小的t 、屯和较大k 以抑制超调。 对于n c s ，由于网络滞后的存在，控制系统的调节作用不及时，每一时刻 的控制量并没有在同一时刻执行，而要经过一段时间才会发生作用。延时的产生 对系统的超调量和响应时间都有一定的影响，如延时越大，控制信号经过较长时 间才到达执行器，故偏差变化率越小，需要减小k 提高系统的灵敏度。 对量化因子、比例因子参数的调整算法如下： 也( j + 1 ) = 屯( 七) + | j i( 2 4 ) k ( 七+ d = k ( | ) + i( 2 - 5 ) 七。( 七+ 1 ) = 屯( k ) + j( 2 6 ) 其中屯( 七+ 1 ) 、也( 七) 、k ( 七+ 1 ) 、七。( _ i ) 、七。( + 1 ) 、后。( 七) 分别为下一时 刻和当前时刻的量化因子和比例因子，h 、i 、j 是对应的校正因子。在一次控 制计算完成后，对量化因子、比例因子进行在线修正，为下次的控制计算做基础。 比例因子、量化因子的增量分别为屯，龇。，丸，应根据具体情况选取。 文中取她= k e ( o ) l o 、k = k ( o ) l o 、吒= k ( o ) 5 。t ( 0 ) 、后。( o ) 和屯( o ) 分别表示比例因子、量化因子的初值，取值如下： k a o ) = 篙 k ( 。) = 万3 - ( i - 3 ) 七。( o ) = 1 ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 式中屈、口。分别表示实测的最大和最小偏差，压和口：分别表示实测最大偏差变 化率和最小偏差变化率。 1 9 硕士学位论文 第2 章网络化控制器设计 量化因子、比例因子动态校正因子h 、f 、，的取值如表2 - 2 所示。 表2 - 2h i j 的校正量取值 语言值 减少适当减少不变适当增加增加 校正因x j i l 一龇。一昙战 o 主觇 + 她 一醵。一昙叱 0 三叱 + 龇。 l z j一哦 一昙战 o 圭地 + 幽。 把偏差分为很大，较小和很小三种情况，延时分为较小，较大和很大三种情 况，对比例因子和量化因子的进行增大、适当增大、不变、适当减少、减少五个 档次的调节。调节量化因子和比例因子的规则如下； ( 1 ) 如果偏差很大，且延时较大，那么增大屯和t ，以加快响应速度，同时 减少k ，加大系统反应灵敏度； ( 2 ) 如果偏差很大，且延时较小，那么增大屯加快响应速度，适当增! j h k , 避 免速度过快，适当减小k 适度调节系统反应灵敏度； ( 3 ) 如果偏差较小，且延时较大，那么减小屯和也，使系统的输出尽快回到 给定值附近，增大k 。以抑制超调； ( 4 ) 如果偏差较小，且延时较小，男v - - , 适当减小屯和屯，控制不宜过强，适 当增大以k 以抑制超调； ( 5 ) 如果偏差很小，且延时较大，g z , 增大吒和屯，因为误差很小一般不会 再引起超调，因此增大屯和k 。，提高稳态精度，提高响应速度，同时减少k ， 以加大系统反应灵敏度； ( 6 ) 如果偏差很小，且延时较小，那么增大屯和t ，提高响应速度和稳态精 硕士学位论文第2 章网络化控制器设计 度，同时，适当减少k 适当提高系统反应灵敏度； ( 7 ) 如果延时大于允许最大延迟，丢包处理，不调节参数，控制器仍然采用 前一时刻的控制信号。 在网络化控制系统中，网络延时对系统的静态、动态特性都产生了很大的影 响，网络化模糊控制器通过修正量化因子和比例因子来改变系统的性很，从而补 偿延时所带来的影响。 2 3 4 控制规则自学习 控制规则在线学习算法包括：控制规则评价算法和控制规则自修正算法。本 模糊控制系统采用控制规则自修正算法。 采用解析表达式描述的控制规则简单方便，易于处理。一般的二维系统控制 规则可以用解析表达式概括为： 2 = - r e + e ) 2 ( 2 - 1 0 ) 其中e 、e 、u 为经过量化和模糊化的模糊变量，相应的论域分别为误差、误 差变化率及控制量。由( 2 1 0 ) 式描述的控制规则可看出，控制作用取决于误差及 误差变化，且二者的加权系数相同。但在实际系统中，对误差和误差的变化率有 不同加权程度的要求。当被控对象阶次较低时，对误差的加权值应大于对误差变 化率的加权值；当被控对象阶次较高时，对误差变化的加权值应大于对误差的加 权值。因此，为了适应不同被控对象的要求，在( 2 1 0 ) 式的基础较引进一个调整 因子，得到如下式所示的控制规则 2 = _ 【口量+ ( 1 一口) e 】( 2 - 1 1 ) 。 ， 通过调整口的大小，可以改变对误差和误差变化率的不同加权程度，当口取不同 值时，对e 和e 的权重不同，则控制规则不同。当口较大时，表明控制规则对 偏差重视程度高，而对偏差变化率的加权小，因此超调大，振荡幅度大；当口较 小时，对误差的重视程度较低，超调较小，振荡幅度也较小，稳定性好。 ( 2 - 1 1 ) 式所示为带有一个加权因子调整模糊控制规则的控制器，虽然可以改 变口的大小调整控制规则，但口值一旦确定，在整个控制过程中就不再改变。控 2 1 硕士学位论文第2 章网络化控制器设计 制系统在不同的状态下，对控制规则中误差e 与误差变化率e 的加权程度有不 同的要求。如误差较大时，控制系统的主要任务是消除误差，此时对误差的加权 应该大些；当误差小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定，减小超调，此 时要求在控制规则中误差变化率的加权大些。为了得到好的控制性很，要求瑾值 在控制过程中可在线调整。我们采用运筹学中的“优选法”进行在线修i t _ 4 ”，即 口( | j + 1 ) = a ( k ) + ( 0 6 1 8 ) 1 - ；口( 七) 】，l e i 3 o 3 口( 七) 0 7( 2 - 1 2 ) 在本算法中，系统误差定义：e ( k ) = y ( k ) 一，e 为其语言变量，论域为： - 6 ， + 6 。误差的变化率譬( 用e 表示) 定义：d - e = e ( 七) 一p ( 七一1 ) = 血( 七) ，e c 为其语 口fa t 一 言变量，论域为：【3 ，+ 3 】。 本系统是属于用二维输入可以满足要求。这样一来，可根据具体情况( e 的 大小) 对a ( k ) 进行在线自学习，从而自动改变误差、误差变化率的不同加权程度， 达到在线自动调整控制规则，快速到最优的控制规则的目的。 综上所述，本文设计的智能网络化模糊控制系统在以下两个方面对模糊控制 器的特性进行了扩展：一是对网络延时使用神经网络的动态逼近思想进行准确的 预测，并根据预测延时对控制器进行在线参数调整，故该模糊控制器具有网络化 的特性；二是根据被控对象以及控制偏差智能的修正量化因子、比例因子和控制 规则，使控制性能趋于最优，因此，该控制器同时具有智能化的特性。 2 4 各控制算法在m a t l a b s i m u l i n k 仿真实验环境下的比较 针对中南大学过程控制系统实验室的液位控制系统，采用二阶非线性环节对 被控对象等效，应用智能网络模糊控制系统进行了仿真实验研究。被控对象等效 为二阶系统g o ( s ) 2 五虿石百，控制执行结构中具有o 0 7 的死区和o - 7 的饱 和区，采样时间间隔t = 0 2s ，延时f 表示前馈延时f “与反馈延时f ”之和，分 别取o s 、o 1 s 以内、0 3 0 4 s 、0 7 0 8 s 四种不同的情况下，使用三种控制策略， 硕士学位论文第2 章网络化控制器设计 对远程被控对象进行仿真控制，阶跃响应仿真结果如图2 - 9 所示。 ( 1 ) p i d 控制策略 p i d 参数经过仔细选择后，足，= 2 ，k j = 0 1 ，置d = 0 0 0 1 。 ( 2 ) 模糊控制策略 模糊器结构采用典型二维模糊控制器。e 为偏差的语言变量，对应的模糊量 化因子t ，论域为：【- 6 ，+ 6 】；e c 为偏差变化率的语言变量，对应的模糊量化 因子k 。，论域为【- 3 ，+ 3 】；u 为控制量u 的语言变量，相应的比例因子屯，其 论域为 - 6 ，+ 6 】。考虑到偏差和偏差变化率控制的精度不能太高，故e 和匪的隶 属度函数都采用并不常用的梯形隶属函数。对输出控制的精度要求比较高，故选 用通常的三角隶属度函数。比例因子和量化因子取也= 2 ，k = 1 5 ，屯= l 。 ( 3 ) 网络化模糊控制策略 网络化模糊控制器的结构和上面传统的模糊控制器结构相同。与上面传统的 模糊控制器不同的是控制规则自学习且比例因子量化因子由偏差和延时来智能 修正。 控制规则由控制误差e 自动调整，取u = 书e + ( 1 一口) e 】其中修正因子 初姒o ) _ 0 5 州川) 黜( 酬0 6 1 8 即) 1 - a ( 圳乖3 。 控制器量化因子、比例因子的调整采用本章2 3 3 节参数的智能修正中所阐述 的算法，比例因子和量化因子的初始值与传统模糊控制器相同，取e ( o ) = 2 ， k ( o ) = 1 5 ，k 。( o ) = l 。比例因子、量化因子的增加、减少或者适当增