礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)干擾控制研究

摘 要： 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)易受延時(shí)、丟包、干擾等因素的影響。煤礦井下環(huán)境非常復(fù)雜，使得礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)采集的井下環(huán)境參數(shù)在礦井下的傳輸受到不確定干擾的影響。針對(duì)干擾的不確定性，提出非線性PID控制策略控制的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)仿真模型，分別對(duì)其用常規(guī)PID控制和非線性PID控制。仿真結(jié)果表明非線性PID控制要比常規(guī)PID控制對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)干擾控制效果更好。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)； 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)； 非線性PID控制； 干擾控制

中圖分類號(hào)： TN915?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）20?0121?03

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)相對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)擁有無(wú)需考慮布線的優(yōu)勢(shì)，但仍然不可避免要受網(wǎng)絡(luò)中的延時(shí)、丟包、干擾等因素的影響。礦井下環(huán)境非常復(fù)雜，這就使得礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)采集的井下環(huán)境參數(shù)在礦井下的傳輸受到隨機(jī)、不確定的干擾影響。本文將非線性PID控制策略控制的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以提高無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力。

1 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)地采集井下環(huán)境參數(shù)，并能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)傳輸給井上的監(jiān)控微機(jī)，并能夠?qū)崟r(shí)反映井下人員的位置[1]。系統(tǒng)可分為四個(gè)部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

系統(tǒng)中位于最上層的是井上監(jiān)控室的監(jiān)控微機(jī)，負(fù)責(zé)安全監(jiān)控的工作人員通過(guò)監(jiān)控微機(jī)的監(jiān)控軟件給下層節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，查詢礦井下環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)信息及各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；處于第二層的是二級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將上級(jí)命令發(fā)送給下級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)并將下級(jí)總線上的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上級(jí)監(jiān)控微機(jī)；處于系統(tǒng)第三層的是一級(jí)匯聚節(jié)點(diǎn)，其作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)起到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)路由器的作用；系統(tǒng)的最底層由數(shù)量相對(duì)較多的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，這些無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采集環(huán)境數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)發(fā)送給上級(jí)。本文通過(guò)改善無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力提高采集信號(hào)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)可靠性提高。

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)干擾控制研究

從控制角度出發(fā)，采用各種智能控制算法來(lái)改變控制策略以提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的可控性；從通信角度出發(fā)，通過(guò)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議來(lái)提高無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；從通信與控制相結(jié)合的角度出發(fā)，通過(guò)采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度來(lái)減小無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的時(shí)延、丟包、干擾等因素對(duì)其穩(wěn)定性的影響。文章從控制角度出發(fā)，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的非線性PID控制器，在改善傳統(tǒng)PID控制器在快速性和穩(wěn)定性方面存在的缺陷同時(shí)，也降低了干擾對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的影響，保證采樣信號(hào)的準(zhǔn)確性，使得礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)更加可靠。

2.1 非線性PID控制原理

建立非線性PID控制器的模型常用的方法是根據(jù)系統(tǒng)輸出偏差ep的大小來(lái)修改常規(guī)PID控制器的系數(shù)kp、ki和kd來(lái)實(shí)現(xiàn)建立模型的目的[2]。圖2為二階系統(tǒng)響應(yīng)曲線，以圖2進(jìn)行分析。

從圖2可以看出，系統(tǒng)響應(yīng)曲線可以按時(shí)間劃分為5段。在不同的時(shí)間段，系統(tǒng)偏差ep大小不同，比例、積分和微分參數(shù)在不用時(shí)間段的期望變化趨勢(shì)也不同。根據(jù)系統(tǒng)期望比例、積分和微分參數(shù)的期望變化趨勢(shì)構(gòu)造相應(yīng)的增益函數(shù)。

（1）比例增益參數(shù)kp（ep）的確定。在響應(yīng)時(shí)間0≤t

式中ap，bp，cp為正常數(shù)。

（2）積分增益參數(shù)ki（ep）的確定。系統(tǒng)希望偏差ep較小時(shí)，積分增益增大，以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差，構(gòu)造積分增益系數(shù)ki的非線性偏差函數(shù)為[4]：

式中ki[∈]（0，ai）。

（3）微分增益參數(shù)kd（ep）的確定。在響應(yīng)時(shí)間0≤tkd，因此構(gòu)造kd的非線性偏差函數(shù)為[5]：

式中ad，bd，cd，dd為正常數(shù)。

非線性PID控制算法為：

[ut=kpeptept+kiept0teptdt+kdeptdeptdt]

由上式可以看出，該算法增強(qiáng)了對(duì)被控對(duì)象模型參數(shù)變化的適應(yīng)范圍，有利于增強(qiáng)整個(gè)控制系統(tǒng)的魯棒性。

2.2 仿真與結(jié)果分析

對(duì)安全監(jiān)控系統(tǒng)中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行建模，模型如圖3所示。

如圖3所示，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中包含了4個(gè)節(jié)點(diǎn)：干擾節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)[6?7]。傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行周期采樣。改變干擾節(jié)點(diǎn)中的BWshare參數(shù)，以改變干擾量的大小。BWshare分別設(shè)為0.2和0.6。運(yùn)行仿真模型，示波器顯示不同干擾量下的采樣波形輸出情況，得到圖4。圖4為常規(guī)PID控策略下干擾量為20%和60%采樣信號(hào)輸出曲線；圖5為非線性PID控制策略下干擾量為20%和60%采樣信號(hào)輸出曲線。

從圖4可以看出，常規(guī)PID控制下，在干擾量較低時(shí)，采樣信號(hào)能夠跟蹤參考輸入信號(hào)的變化（圖中方波為參考信號(hào)），但當(dāng)干擾量較大時(shí)，系統(tǒng)的控制性能明顯不能滿足控制要求；而圖5則顯示，控制策略改為非線性PID控制時(shí)，雖然干擾量加大但采樣信號(hào)仍能快速跟蹤參考輸入信號(hào)，系統(tǒng)的控制性能質(zhì)量降低不明顯。

縱向比較曲線圖可知，在相同的干擾量下，不論是干擾量較小還是較大時(shí)，非線性PID控制策略下的采樣信號(hào)輸出曲線都比常規(guī)PID控制策略下的被控對(duì)象采樣曲線更加理想。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）仿真結(jié)果顯示，非線性PID控制要比常規(guī)PID控制對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的控制效果要好，保證了監(jiān)控微機(jī)收到的井下環(huán)境數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性，能夠提高礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性。

（2）非線性PID控制器不僅改善了傳統(tǒng)PID控制器在快速性和穩(wěn)定性方面存在的缺陷，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用前景廣泛。

（3）在已做工作的基礎(chǔ)上，可以考慮在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中加入Smith預(yù)估補(bǔ)償器，雖然增加了硬件的復(fù)雜度，卻能夠使得整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定，進(jìn)一步保證礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠安全。

參考文獻(xiàn)

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