基于模糊機(jī)制的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的優(yōu)化

陸忠樹

摘要：無線網(wǎng)絡(luò)作為通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，近年來得到了飛速的發(fā)展，其靈活、節(jié)約、便利的特點(diǎn)受到了用戶的廣泛好評(píng)，尤其是在一些地形條件復(fù)雜的生產(chǎn)場合，如井下、礦山、森林等，無線通信的特長更是得到了充分的發(fā)揮，其作用無可替代?；赯igBee的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)WiNCS屬于自適應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)承擔(dān)著重要的遠(yuǎn)程控制作用，該領(lǐng)域的研究包含了計(jì)算機(jī)控制、人工智能和網(wǎng)絡(luò)通信等多個(gè)學(xué)科。該文對(duì)目前無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析和研究，并提出將人工智能領(lǐng)域的模糊機(jī)制同自動(dòng)控制領(lǐng)域的PID技術(shù)相結(jié)合，生成一種新的混合型智能方法，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，有效提高了該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)；控制系統(tǒng)；模糊機(jī)制 PID

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）22-0027-03

1 無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)概述

近年來，隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率迅速擴(kuò)大，目前已經(jīng)廣泛的被應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)、國防科技、醫(yī)療衛(wèi)生、城市交通等各個(gè)領(lǐng)域，為我國生產(chǎn)力的發(fā)展和百姓生活提供了便捷、靈活、高效的信息通信服務(wù)。尤其在各種工業(yè)控制場合，無線網(wǎng)絡(luò)更是因?yàn)槠涮赜械膬?yōu)勢成為了一種不可替代的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的傳輸媒介，目前，無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（WiNCS）已經(jīng)逐漸成為了自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)展的主要方向，根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的分類，將該系統(tǒng)分為基于IEEE 802.1 lb協(xié)議的無線局域網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，前者一般用于普通用戶數(shù)據(jù)傳輸，帶寬較大，但是成本相對(duì)較高；后者主要面對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的控制需求，本文即針對(duì)后者進(jìn)行研究和優(yōu)化，圖1給出了基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中控制器、執(zhí)行器和傳感器的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

ZigBee的誕生來源于工業(yè)生產(chǎn)控制場合對(duì)低功耗、低成本、安裝維護(hù)方便的無線通信網(wǎng)絡(luò)的需求，在這類控制場合里，對(duì)帶寬的需求往往不是很高，網(wǎng)絡(luò)僅僅需要承擔(dān)控制指令和采樣數(shù)據(jù)的傳輸任務(wù)即可，但對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及功耗則有著較高的要求。802工作組針對(duì)此種情況，推出了IEEE802.15.4協(xié)議，而ZigBee正是基于這一標(biāo)準(zhǔn)而研發(fā)的一系列關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件的技術(shù)。

2 無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的問題

在采用了無線網(wǎng)絡(luò)為平臺(tái)，完成控制信息的傳輸之后，系統(tǒng)的復(fù)雜性有了一定程度的提高，同時(shí)作為傳輸媒介的無線網(wǎng)絡(luò)也易受到某些因素的干擾，從而給系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了一定的負(fù)面影響。在查閱大量文獻(xiàn)之后，總結(jié)出目前無線網(wǎng)絡(luò)存在的主要問題有以下幾點(diǎn)：

（1）時(shí)鐘同步

WiNCS的時(shí)鐘同步問題一直是該類系統(tǒng)發(fā)展的一大障礙，由于控制系統(tǒng)不再是集中于一地，因此各個(gè)控制環(huán)節(jié)之間的信息傳輸就會(huì)存在一定的時(shí)延，從而導(dǎo)致控制指令很難實(shí)現(xiàn)同步，加上系統(tǒng)的硬件偏差，使得采樣錯(cuò)誤和數(shù)據(jù)包出錯(cuò)的概率大大增加，從而降低了控制質(zhì)量，甚至導(dǎo)致生產(chǎn)故障。

（2）網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的大小直接影響到了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，尤其對(duì)于要求響應(yīng)速度快的被控系統(tǒng)而言，由于無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延過大，可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)累加延遲效應(yīng)，使得控制系統(tǒng)失去了實(shí)用性。網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可以分為信道訪問時(shí)延、隊(duì)列時(shí)延和轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延三類，其中影響最大的是隊(duì)列時(shí)延，即數(shù)據(jù)信息在多個(gè)節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)的過程中，在每個(gè)節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列里排隊(duì)等待的時(shí)延之和。

（3）數(shù)據(jù)包失序

根據(jù)現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)所采用的分組轉(zhuǎn)發(fā)方式，各個(gè)分組在轉(zhuǎn)發(fā)的過在發(fā)送時(shí)所選擇的路由并不是唯一的，這就導(dǎo)致某些數(shù)據(jù)包可能出現(xiàn)“后發(fā)先至”的情況，這也給接收方帶來了一定的處理開銷。

（4）數(shù)據(jù)包丟失

數(shù)據(jù)包的丟失問題可以分為兩種情況，即主動(dòng)丟包與被動(dòng)丟包。前者是系統(tǒng)為了確保其實(shí)時(shí)性，將時(shí)延過長，已失去使用意義的數(shù)據(jù)包主動(dòng)丟棄，并禁止發(fā)送方重傳；后者是指數(shù)據(jù)包由于延遲過長，超過了設(shè)定的重傳時(shí)間上限而將其丟棄，這種情況通常是由于各種網(wǎng)絡(luò)故障造成的，如網(wǎng)絡(luò)擁塞、節(jié)點(diǎn)硬件故障等。

本文針對(duì)上文總結(jié)的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行分析和研究，采用人工智能領(lǐng)域的模糊機(jī)制和自動(dòng)化控制領(lǐng)域的PID算法相結(jié)合，對(duì)基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，以下介紹相關(guān)的算法思路。

3 模糊自適應(yīng)PID控制算法研究

模糊控制的本質(zhì)是模仿人類的控制經(jīng)驗(yàn)，增加了先驗(yàn)知識(shí)對(duì)優(yōu)化策略的影響，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，特別適用于非線性、時(shí)變、模型不完全的系統(tǒng)上。利用控制法則來描述系統(tǒng)變量間的關(guān)系，不必對(duì)被控制對(duì)象建立數(shù)學(xué)模式，是一種容易控制、掌握的較理想的非線性控制器。前在控制場合中，最常使用的是二維模糊控制器。

PID算法是自動(dòng)控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種可靠的控制算法，利用比例、微分、積分等計(jì)算方式的結(jié)合，來達(dá)到不同的自動(dòng)調(diào)節(jié)效果，該算法兼容性良好，目前已經(jīng)同許多優(yōu)秀的智能算法相結(jié)合，生成了多種多樣的混合型控制方法。本文提出將把PID控制方法同模糊機(jī)制相結(jié)合，既發(fā)揮PID對(duì)于靜態(tài)控制的優(yōu)勢，利用模糊機(jī)制來完成動(dòng)態(tài)微調(diào)，使得控制輸出進(jìn)一步逼近理想值，提高了控制質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)的模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

由上圖中的算法流程可以看出，模糊機(jī)制的作用主要體現(xiàn)在提高PID控制的參數(shù)整定效率，充分利用先驗(yàn)知識(shí)，快速縮小參數(shù)選值范圍，對(duì)PID控制優(yōu)化起到了良好的促進(jìn)作用。

4 仿真結(jié)果分析

對(duì)了對(duì)比本優(yōu)化算法的有效性，仿真實(shí)驗(yàn)采用了一階階躍波形為參照，并選定了時(shí)延和丟包率這兩種無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為影響因素，對(duì)模糊PID控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)效果進(jìn)行跟蹤，觀察這兩種控制方案對(duì)一階階躍波形的跟蹤效果，從而比較兩種方案的各自的性能。

（1）在相同的時(shí)延為3ms的條件下，分別采用傳統(tǒng)PID和模糊PID作為控制器，響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4中，虛線波形為傳統(tǒng)PID響應(yīng)曲線，實(shí)線為模糊PID的響應(yīng)曲線，對(duì)比分析可以看出模糊PID對(duì)階躍波形的跟蹤效果明顯更優(yōu)，對(duì)波形的跟蹤效果更好，在大約0.13s已經(jīng)逼近了理想值，而傳統(tǒng)PID的虛線波形則分別在0.07s、0.11s和0.14s左右時(shí)刻發(fā)生了超調(diào)，于0.2s才實(shí)現(xiàn)收斂，因此可以證明，模糊PID的控制性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)PID的控制性能，優(yōu)化效果明顯。

（2）在設(shè)定丟包率為5%的條件下，兩種控制器對(duì)階躍波形的跟蹤效果如圖5所示：

同圖4一樣，虛線為傳統(tǒng)PID響應(yīng)曲線，實(shí)線為模糊PID的響應(yīng)曲線，設(shè)定了丟包率為5%，即意味著在系統(tǒng)不斷調(diào)節(jié)的過程中受到了較大的干擾，因此圖中虛實(shí)兩條曲線波形都存在較大的超調(diào)，但模糊PID響應(yīng)曲線明顯的要比傳統(tǒng)PID響應(yīng)曲線更早的逼近理想值，且超調(diào)幅度相對(duì)較小，優(yōu)化效果明顯。

5 結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在理想環(huán)境，即不存在時(shí)延和數(shù)據(jù)包丟失的情況下，常規(guī)PID和模糊PID控制質(zhì)量相當(dāng)，對(duì)波形的跟蹤效果較好，且響應(yīng)速度較快，都能較好的完成控制任務(wù)。

（2）在存在時(shí)延和丟包率的情況下，模糊PID控制器都表現(xiàn)出了更好的跟蹤效果，說明當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處在一定程度的干擾的情況下，后者可以更好地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的變化，在更短的時(shí)間內(nèi)完成收斂，優(yōu)化效果明顯。

（3）除本文列出的時(shí)延與丟包率這兩種影響因素外，還對(duì)采樣周期、網(wǎng)絡(luò)帶寬、系統(tǒng)功耗等因素進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果均證實(shí)了本優(yōu)化策略的有效性，但參數(shù)組合設(shè)定的不同對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的運(yùn)行表現(xiàn)起到了較大的影響，在實(shí)際運(yùn)用之前，應(yīng)根據(jù)不同的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)測試，選取最佳的參數(shù)組合，才能夠有效的提高系統(tǒng)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓安大.無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的延時(shí)分析及算法設(shè)計(jì)[D].杭州：浙江大學(xué)，2007.

[2] 張衛(wèi)東. 基于改進(jìn)模糊免疫PID控制的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)[D].海口：海南大學(xué)，2012.

[3] R.Alur，A.Dinnocenzo，K.H Johansson，G.J.Pappas，G.Weiss.Compositional modeling and analysis of multi-hop control nerworks [J]. Automatic Control，IEEE Transactions on ，2011，56（10）：2345-2357.

[4] 趙銘，宋俊德.無線通信與網(wǎng)絡(luò)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[5] 趙亞平.模糊免疫PID算法在焦?fàn)t溫度控制中的研究[D]. 沈陽：東北大學(xué)，2006.

[6] 王巖，孫增圻.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社， 2009.