基于CAN总线改进的混合调度算法对网络控制系统的性能研究

其中, y(k)为当前周期的输出值, y(k-1)为上一周期的输出值,r(k),u(k)分别为给定值和控制器的输出值,Td=0.035s, K=1.5, ε=0.1,定义传感器的采样周期Tm=10ms,数据计算、传感器数据采集和执行器的动作所产生的时间延时均为0.1ms。

在偏差绝对值小于设定值 ε(偏差比较小)时采用PID算法,即在PD算法的基础上加入积分环节:

基于CAN总线改进的混合调度算法对网络控制系统的性能研究

其中积分时间常数Ti=0.15,I(k),I(k-1)分别为当前周期和前一周期的积分分量,在引进积分分离PID控制算法前后,网络控制系统的控制效果如图2所示。

基于CAN总线改进的混合调度算法对网络控制系统的性能研究

图2 积分分离PID控制算法效果图

由图可见,采用一般PID控制算法时超调量超过45%,采用积分分离PID控制算法时超调量不超过5%,采用积分分离PID控制算法使得控制系统的动态性能有了很大改善。

3.2 仿真结果

以建立的网络控制系统仿真平台为基础,进行网络控制系统的仿真,研究网络调度对控制系统性能的影响。设定CAN总线的波特率为250Kbps,丢包率为0,使用一般的混合调度算法(MTS)进行仿真,其仿真结果如图3所示。图3(a)是四个控制子系统的方波响应,图3(b)是从网络调度(Schedule)窗口所看到的前三个采样周期的网络调度状况。

基于CAN总线改进的混合调度算法对网络控制系统的性能研究

图3 应用混合调度算法时的仿真结果

由图3(a)可知,由于网络延时较大,其中两个控制子系统的动态响应较差,超调量超过14%,调节时间超过0.2s。在图3(b)网络调度状况图中,纵坐标表示节点号。根据CAN协议,节点号较小的节点具有较高的优先级,控制器节点1具有最高的优先级,传感器节点9具有最低的优先级。节点7、节点9的网络等待延时都较大(超过2ms),这是造成其中两个控制子系统动态性能较差的原因。随着网络节点的增多,最低优先级节点所在的控制子系统的动态性能会变得更差。