摘 要

随着传感器技术、通信网络技术的快速发展，无线标准的建立与日益完善，无线技术在一定程度上代替有线是一个趋势。在特定场合特定应用，使用无线设备能够减少线路铺设，节约成本，增加系统设计的灵活性。同时，无线技术的引入也给控制设计带来了问题挑战，因为不同于传统有线固定周期控制，无线控制存在长延时、变周期、甚至丢包等问题。近些年来，针对无线控制也有许多研究，但是很多提出的方法和解决方案对于工业应用来说过于复杂，且无线节点资源有限，在许多实际控制系统中是不可行的。

PID控制概念清晰，实现简单。在实际工业应用中，PID控制具有统治地位，如果能将PID控制成功运用到无线控制中，将十分具有现实意义。本文采用的基于无线测量的改进型PID控制器，即PIDPlus，大幅度改善了无线环境下的控制效果。

模型预测控制，具有应用范围广，控制性能优的特点，是一种应用前景广阔的控制方法。本文将尝试将模型预测控制加以改进应用到基于无线测量技术的非线性水箱液位控制中。

本文将通过无线传感器的实验，研究无线技术存在的问题，并尝试将PIDPlus与模型预测控制应用于基于无线测量的非线性水箱液位控制，与传统PID控制对比，实验结果显示了无线环境下控制方法的有效性。

关键词：无线技术;PIDPlus;模型预测控制;非线性水箱

Abstract

With the rapid progress of sensor technology, communication network technology and the establishment and improvement of wireless standards, it is a trend for wireless technology to replace wired technology to some extent. For specific applications in specific occasions, the use of wireless devices can reduce line laying, save costs, and increase the flexibility of system design. At the same time, the introduction of wireless technology also brings problems and challenges to the control design, because unlike the traditional wired fixed-period control, wireless control has such problems as long delay, variable cycle, and even packet loss. In recent years, there are many studies on wireless control, but many proposed methods and solutions are too complex for industrial applications, and wireless node resources are limited, therefore most of them are not feasible in many practical control systems.

The PID control structure is simple and easy to analyze and implement. In the actual industrial control, the PID control has a dominant status. If the PID control can be successfully applied to wireless control, it will be of great practical significance. The improved PID controller based on wireless measurement, namely PIDPlus, has greatly improved the control effect in wireless environment.

Model predictive control (MPC) can deal with nonlinear, multivariable and constrained optimal control problems. It has a wide range of applications and excellent control performance. It is a control method with broad application prospects. This paper will try to improve the model predictive control and apply it to the non-linear water tank level control based on wireless measurement technology.

This paper will study the problems of wireless technology through the experiment of wireless sensor, and try to apply PIDPlus and model predictive control to the level control of non-linear water tank based on wireless measurement. By contrast, the test results show that the control method in wireless environment is superior to the standard PID.

Key Words : Wireless technology, PIDPlus, Model predictive control, Nonlinear water tank

目录

摘要 III

Abstract IV

第1章 绪论 35

1.1 研究的目的及意义 35

1.2 国内外研究现状 37

1.3 研究的基本内容 39

第2章 非线性水箱系统实验平台 41

2.1 非线性水箱系统实验平台介绍 41

2.1.1总体结构 41

2.1.2硬件平台 42

2.1.3软件平台 44

2.2 非线性水箱系统建模 47

2.2.1 系统分析与建模 47

2.2.2 模型验证 50

2.3 无线变送问题 51

第3章 控制算法介绍 52

3.1 传统PID控制 52

3.2 PIDPlus控制 53

3.2.1 无线测量环境下PID控制分析 53

3.2.2 PIDPlus控制器的结构及原理 55

3.2.3 PIDPlus控制器参数整定 58

3.3 模型预测控制（MPC） 59

3.3.1 模型预测控制基本原理 59

3.3.2 基于无线特点改进MPC 61

第4章 仿真与实验 61

4.1 PIDPlus控制仿真与实验 61

4.1.1 PIDPlus仿真 61

4.1.1 PIDPlus实验 63

4.2 MPC仿真与实验 64

4.1.1 MPC仿真 64

4.1.1 MPC实验 66

第5章 结论 67

致谢 69

参考文献 70

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

基于有线的控制技术在工业过程控制中的运用已经十分成熟，但是在一些场合无线技术有需求。比如一家已经成熟运行的工厂需要加一些新功能与设备，把地下线缆挖出来加铺一条或者几条线既不现实也不经济，而加一个无线设备却比较合适；再比如一个山顶有实验项目需要将实验数据传输出来，铺设线路也不合适，而无线通信合适；再比如船港码头，船上的数据如何传输到陆地港口码头上呢，显然，无线传输也是最好的选择。这仅是几个例子，实际生产生活中有很多场景都需要用到无线技术。

近年来，无线传感器网络（WSN）^[1]的发展引起了人们的极大兴趣。传感器、分布式、通信网络等技术的快速发展为我们提供了廉价的、可定制的嵌入式传感器系统，能够在彼此之间进行无线通信。由于节省了布线和安装成本，在许多应用中无线技术的使用更为合适。无线节点不需要大量的电缆来实现相互通信。如果网络完全连接，意味着每个节点的信息可以通过一个或多个节点到达任何其他节点，则网络中收集的信息对所有节点都可用，所有节点都执行传输通信和数据处理功能，其高度分布特性使其能够适应环境的动态变化^[2]。显然，系统信息量增加，系统的性质更加分散，传感器的冗余度提供了比传统有线系统更好的容错能力。随着计算机网络技术的不断突破，控制理论的快速发展，无线技术的发展前景广阔。