基于T—S模糊控制器的網絡控制系統仿真研究

張曉倩+宋曉茹

摘要：為了研究網絡控制系統不同的控制算法對系統的影響，利用Matlab中Simulink模塊和TrueTime工具箱搭建網絡控制系統的模型，當網絡控制系統存在一定時延時，分別搭建采用PID控制器的網絡控制系統的模型和采用T-S模糊控制器的網絡控制系統的模型，仿真分析系統的輸出曲線，結果表明：采用T-S模糊控制器的系統輸出曲線超調量小，調節時間短，很快達到穩定，說明基于T-S模糊模型的控制算法能夠補償時延，提高系統的穩定性。

關鍵詞：網絡控制系統；T-S模糊控制器；TrueTime工具箱；穩定性

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：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，通過通信網絡把采集并處理過的信息發送給控制器，控制器根據控制算法得到的控制信號通過通信網絡發送給執行器，執行器收到控制信號作用于被控對象，構成的閉環的、分布式的控制系統，稱為網絡控制系統[1]（Networked Control System，NCS）。李建東[2]在基于線性矩陣不等式的條件下，給出系統穩定的充分條件和魯棒控制器，通過相關的數值例子來研究基于T-S模糊控制器對網絡控制系統的有效性。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絡控制系統，并設計出一種鎮定T-S模糊控制器的方法。顧艷麗等[4]先介紹基于T-S模糊控制器網絡控制系統的應用，再研究基于T-S模糊控制器的網絡控制系統魯棒控制，最后總結網絡控制系統的穩定性及魯棒控制等問題。但并沒有針對基于T-S模糊控制器的網絡控制系統進行建模、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，并應用在網絡控制系統模型中，再編寫傳感器部分、控制器部分、執行器部分的程序，最后通過仿真結果說明該控制算法能夠有效的補償時延，提高網絡控制系統的穩定性。

2.T-S模糊控制器的特點

建立的相對準確的被控對象的數學模型，采用一般的控制理論來設計控制器，實現對系統的控制；但是實際中的很多系統是很難建立精確的數學模型，采用模糊控制可以不建立被控對象的數學模型，對被控對象的非線性和時變性具有一定的適應性，從而實現對系統的控制。因為被控對象的動態特性隱含在模糊控制器輸入、輸出模糊集和模糊規則中。

T-S模糊控制器的特點是控制規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，有利于控制器的系統化分析和設計。由于后件模糊輸出的是精確的線性函數，使得T-S模糊PID控制器實現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點，又能適用于非線性、時變及滯后系統的控制，證明了模糊控制的魯棒性強。網絡控制系統是控制系統中加入網絡，從而帶來一系列的問題，如時延、數據丟包等。由于網絡速率、網絡當前空閑情況的時變，采用一般PID控制算法設定固定的P、I、D的值來控制數據的收發很容易造成較大的時延、甚至是數據包丟失；采用T-S模糊控制算法來控制網絡控制系統，根據當前的網絡通信情況來調整P、I、D的值，以便更快、準確的收發數據。

3.T-S模糊控制器

3.2 T-S模糊控制器設計

（1）在Matlab命令窗口中輸入fuzzy，按回車鍵，則彈出默認為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型模糊系統的FIS Editor界面。根據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，FIS Editor的界面如圖1所示。

（3）模糊邏輯推理的算法會影響系統的輸出，這里設置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模框，在當期變量區，設置其名稱為E。單擊input2?？?，在當前變量區，設置其名稱為EC。單擊output1?？?，在當前變量區，設置其名稱為f（u）。

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

（6）模糊控制規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控制所結合的參數自整定模糊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三個參數進行處理和調節以適應網絡控制系統不同的E與EC對控制器參數的不同要求，第二部分由網絡控制系統中的控制器的實時內核模塊組成，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，然后經由Snd端將信號傳送到網絡控制系統的網絡模塊。

4.仿真研究

利用Matlab軟件中的Simulink模塊庫和Truetime 1.5工具箱中的相關模塊搭建網絡控制系統模型，其中：搭建基于PID控制器的網絡控制系統模型如圖3所示，系統輸出曲線結果如圖5所示；搭建基于T-S模糊控制器的網絡控制系統模型如圖4所示，圖2構建的T-S模糊控制器嵌入到圖5中的控制器，系統輸出曲線結果如圖6所示。

圖3、4中的網絡控制系統的被控對象傳遞函數都為

其中：輸入信號為階躍信號，網絡類型為CSMA/AMP（CAN），網絡的數據傳輸速率為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：K=1，TD=0.04，采用T-S模糊控制器的參數具體設置在模糊規則中體現。

由圖5和圖6可以看出，當時延為0.011s時，采用一般PID控制器的系統輸出曲線已經離散且失去穩定，而采用T-S模糊PID控制器的系統輸出曲線經歷兩次震蕩后系統就趨于穩定且超調量小，所用的調節時間只有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，提高了系統的穩定性。

5. 結論

本文從不同控制策略的角度出發，分別建立基于PID控制器的網絡控制系統模型、基于T-S模糊控制器的網絡控制系統模型，兩個模型設置相同的控制網絡類型、網絡傳輸數據的速率、網絡時延，通過仿真結果說明基于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

[1] 王凱.非線性網絡控制系統的T-S模糊建模及控制.碩士學位論文.哈爾濱：哈爾濱理工大學，2014.

[2] 李建東.基于T-S模糊模型的網絡控制系統的時滯研究.碩士學位論文.杭州：杭州電子科技大學，2014.

[3] 郝星華，池小波，賈新春.基于T-S模糊模型的網絡控制系統的鎮定[J].太原科技大學，2007，28（5）：353-355.

[4] 顧艷麗，王金寶.基于T-S模糊模型的網絡系統魯棒控制研究[J].科技廣場，2013，10：6-10.

[5] 杜璧秀，張淑梅，高慧斌等.基于TS模型的小車倒立擺控制[J].電子測量技術，2012，35（9）：56-59.

[6]韓文虹，趙小麗.基于TS模糊PID控制模型的發電機控制器設計[J].計算機測量與控制，2012，20（2）：386-388.

[7]馬建華，德元，張輝.基于TS模型的模糊預測控制在列車速度控制器中的應用研究[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2012，33（1）： 50-53.