摘 要： 无线传感网络易受延时、丢包、干扰等因素的影响。煤矿井下环境非常复杂，使得矿井安全监控系统采集的井下环境参数在矿井下的传输受到不确定干扰的影响。针对干扰的不确定性，提出非线性PID控制策略控制的无线传感网络应用于矿井安全监控系统。在Matlab/Simulink仿真环境下建立了无线传感网络仿真模型，分别对其用常规PID控制和非线性PID控制。仿真结果表明非线性PID控制要比常规PID控制对无线传感网络干扰控制效果更好。
关键词： 无线传感网络； 矿井安全监控系统； 非线性PID控制； 干扰控制
中图分类号： TN915⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）20⁃0121⁃03
无线传感网络相对有线网络拥有无需考虑布线的优势，但仍然不可避免要受网络中的延时、丢包、干扰等因素的影响。矿井下环境非常复杂，这就使得矿井安全监控系统采集的井下环境参数在矿井下的传输受到随机、不确定的干扰影响。本文将非线性PID控制策略控制的无线传感网络应用于矿井安全监控系统，可以提高无线传感网络的抗干扰能力。
1 基于无线传感网络的矿井安全监控系统
矿井安全监测系统要求能够实时地采集井下环境参数，并能够将采集到的数据传输给井上的监控微机，并能够实时反映井下人员的位置[1]。系统可分为四个部分，其总体结构如图 1所示。
系统中位于最上层的是井上监控室的监控微机，负责安全监控的工作人员通过监控微机的监控软件给下层节点发送命令，查询矿井下环境参数数据信息及各节点的工作状态；处于第二层的是二级汇聚节点，负责将上级命令发送给下级汇聚节点并将下级总线上的数据信息发送给上级监控微机；处于系统第三层的是一级汇聚节点，其作为网关节点起到无线传感网络中网络路由器的作用；系统的最底层由数量相对较多的无线传感器节点构成，这些无线传感器节点构成无线传感网络系统，采集环境数据及节点的工作状态发送给上级。本文通过改善无线传感网络的抗干扰能力提高采集信号数据的准确性，实现矿井安全监控系统可靠性提高。
2 无线传感网络干扰控制研究
从控制角度出发，采用各种智能控制算法来改变控制策略以提高无线网络的可控性；从通信角度出发，通过改进网络通信协议来提高无线网络的稳定性；从通信与控制相结合的角度出发，通过采用动态网络调度来减小无线网络系统中的时延、丢包、干扰等因素对其稳定性的影响。文章从控制角度出发，选择结构简单，易于实现的非线性PID控制器，在改善传统PID控制器在快速性和稳定性方面存在的缺陷同时，也降低了干扰对无线传感网络控制系统的影响，保证采样信号的准确性，使得矿井安全监控系统更加可靠。
2.1 非线性PID控制原理
建立非线性PID控制器的模型常用的方法是根据系统输出偏差ep的大小来修改常规PID控制器的系数kp、ki和kd来实现建立模型的目的[2]。图2为二阶系统响应曲线，以图2进行分析。
从图2可以看出，系统响应曲线可以按时间划分为5段。在不同的时间段，系统偏差ep大小不同，比例、积分和微分参数在不用时间段的期望变化趋势也不同。根据系统期望比例、积分和微分参数的期望变化趋势构造相应的增益函数。
（1）比例增益参数kp（ep）的确定。在响应时间0≤t 式中ap，bp，cp为正常数。 （2）积分增益参数ki（ep）的确定。系统希望偏差ep较小时，积分增益增大，以消除系统的稳态偏差，构造积分增益系数ki的非线性偏差函数为[4]： 式中ki[∈]（0，ai）。 （3）微分增益参数kd（ep）的确定。在响应时间0≤t 式中ad，bd，cd，dd为正常数。 非线性PID控制算法为： [ut=kpeptept+kiept0teptdt+kdeptdeptdt] 由上式可以看出，该算法增强了对被控对象模型参数变化的适应范围，有利于增强整个控制系统的鲁棒性。 2.2 仿真与结果分析 对安全监控系统中的无线传感网络系统进行建模，模型如图3所示。 如图3所示，无线传感网络系统中包含了4个节点：干扰节点、执行器节点、控制器节点以及传感器节点[6⁃7]。传感器节点对被控对象进行周期采样。改变干扰节点中的BWshare参数，以改变干扰量的大小。BWshare分别设为0.2和0.6。运行仿真模型，示波器显示不同干扰量下的采样波形输出情况，得到图4。图4为常规PID控策略下干扰量为20%和60%采样信号输出曲线；图5为非线性PID控制策略下干扰量为20%和60%采样信号输出曲线。 从图4可以看出，常规PID控制下，在干扰量较低时，采样信号能够跟踪参考输入信号的变化（图中方波为参考信号），但当干扰量较大时，系统的控制性能明显不能满足控制要求；而图5则显示，控制策略改为非线性PID控制时，虽然干扰量加大但采样信号仍能快速跟踪参考输入信号，系统的控制性能质量降低不明显。 纵向比较曲线图可知，在相同的干扰量下，不论是干扰量较小还是较大时，非线性PID控制策略下的采样信号输出曲线都比常规PID控制策略下的被控对象采样曲线更加理想。 3 结 语 （1）仿真结果显示，非线性PID控制要比常规PID控制对无线网络控制系统的控制效果要好，保证了监控微机收到的井下环境数据和节点工作状态信息的准确性，能够提高矿井安全监控系统的可靠性。 （2）非线性PID控制器不仅改善了传统PID控制器在快速性和稳定性方面存在的缺陷，而且结构简单，易于实现，应用前景广泛。 （3）在已做工作的基础上，可以考虑在无线传感网络中加入Smith预估补偿器，虽然增加了硬件的复杂度，却能够使得整个系统更加稳定，进一步保证矿井安全监控系统的可靠安全。 参考文献 [1] 李纪榕，李福进，吴艳微，等.基于无线传感网络的煤矿安全检测系统设计[J].传感技术学报，2011，45（9）：1336⁃1340. [2] 雷文彬.一种非线性PID控制算法的仿真研究[J].计算机仿真，2012，29（4）：268⁃271. [3] 刘丹丹，吉建娇，张姣姣，等.PID调节器及其控制规律分析[J].科技创新导报，2009，22（8）：81⁃82. [4] 郭彦青，姚竹亭，王楠.非线性PID控制器研究[J].中北大学学报：自然科学版，2006，27（5）：423⁃425. [5] 杜锋，杜文才.基于新型Smith预估补偿的网络控制系统[M].北京：科学出版社，2012. [6] 阮殿旭，唐大放，张晓光，等.ZigBee技术无线传感器网络在煤矿井下环境监测中的应用研究[J].煤矿机械，2008，29（6）：163⁃164. [7] 彭丽萍，岳东.基于TrueTime的无线网络控制系统仿真设计[J].现代电子技术，2008，31（24）：116⁃119.