專利名稱：一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制系統和控制方法
技術領域：
本發明涉及雙軸光電轉臺控制技術的改進，尤其是一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制系統和控制方法，屬于雙軸光電轉臺控制技術領域。
背景技術：
雙軸光電轉臺用于隔離外界擾動和對空中或地面移動物體進行實時穩定的光電跟蹤。為了實現高精度的光電跟蹤性能，除需要合理設計轉臺本身的機械結構外，還需要精心設計高性能的控制方法，并結合位置傳感器、伺服驅動器和執行機構，共同形成能夠控制雙軸光電轉臺完成高精度伺服轉動的閉環伺服控制系統。在目前的工程實際中，為提高系統的控制性能，PID控制規律是轉臺伺服系統中常用的控制方法。PID控制器的參數根據一般傳統設計方法選取，控制器參數在整個調節過程中固定不變，系統能否在最佳狀態下工作，主要取決于調節器各參數的設置是否得當。但是，當雙軸光電轉臺要求具有高精度性能指標時，傳統PID設計方法中可以忽略的一些關于被控對象的非線性、時變性、沒有確切的模型等性質，將不能被忽略，并由此引起傳統PID控制方法的過程參數調節困難、控制效果差等現象。控制界針對不同情況提出了自適應PID控制、廣義預測PID、神經網絡PID、模糊PID等改進PID控制器的方法。模糊控制可有效利用人類專家的控制經驗，不依賴于被控對象的精確模型。模糊控制與PID控制器相結合可以實現高級的PID控制算法，改善系統性能。為了提高雙軸光電轉臺閉環控制系統的精度，有效抑制系統噪聲，一般通過提高開環增益或者增加積分環節以減小誤差來提高跟蹤精度，但同時也使得系統的穩定裕度減少。針對一般閉環轉臺伺服 系統普遍存在的跟蹤精度與穩定性之間的矛盾，利用復合控制在原閉環控制系統的基礎上，再增加一個開環的前饋支路，在提高跟蹤精度的同時，又不影響原閉環系統的穩定性，可以較好的解決該矛盾。但是，由于在一般光電跟蹤轉臺伺服系統中(例如激光、紅外和電視等光電跟蹤轉臺伺服系統)，光電傳感器只能提供目標與光電傳感器視軸之間的偏差，無法給出目標的空間坐標位置，無法給出目標的速度。同時，光電傳感器輸出的誤差信號含有較大的隨機噪聲，閉環伺服系統無法靠傳統的閉環調節方法來抑制此類噪聲信號。為此，必須在給定誤差信號的輸入端通過加入濾波環節來降低或消除噪聲。
發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在于提供一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制系統和控制方法，本發明可以克服被控對象的非線性、時變性和模型不一致性等問題，消除PID控制器中微分環節的高頻噪聲和積分環節的超調問題，同時解決閉環伺服系統的穩定性和高精度間的矛盾，大大抑制系統輸入端的隨機噪聲，使得本發明能夠滿足此類轉臺伺服系統的高跟蹤精度需求。
本發明實現上述目的的技術解決方案如下一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制系統，它包括如下單元；綜合數字濾波與估計單元綜合數字濾波與估計單元由慣性數字濾波單元和離散卡爾曼濾波與估計單元構成，慣性數字濾波單元用于將外部輸入給本復合控制系統的給定隨動信號中的高頻噪聲濾除，慣性數字濾波單元的輸出接離散卡爾曼濾波與估計單元的輸入，由離散卡爾曼濾波與估計單元濾除給定隨動信號中每個時刻的隨機噪聲，得到給定隨動信號對應時刻的位置估計值/Uj和速度估計值卩(幻；前饋控制單元用于將離散卡爾曼濾波與估計單元輸出的速度估計值卩(幻通過前饋校正以得到前饋控制信號，并輸入到信號疊加單元；測量單元用于采集雙軸光電轉臺的實際位置信號，得到作為反饋信息的位置實際值I (k)，然后輸入到計算單元；計算單元用于接收測量單元輸出的位置實際值y(k)和離散卡爾曼濾波與估計單元輸出的位置估計值〖(々).并計算兩者的差值，該差值為雙軸光電轉臺的位置誤差e ;切換開關切換開關內設比較器，比較器用于比較雙軸光電轉臺的位置誤差e與事先設定的誤差閾值Kc的大小；切換開關根據比較結果擇一地連接模糊決策單元和PID控制器；模糊決策單元模糊決策單元由依次連接的模糊量化單元、模糊決策單元和反模糊化單元構成；模糊量化單元用于將位置誤差e及位置誤差e的誤差變化率 進行模糊量化運算，以得到對應的模糊值E和Λ E ;模糊值E和Λ E輸入給模糊決策單元，由模糊決策單元分別根據與ΛΚρ、AKi, Λ Kd對應的模糊規則進行模糊推理，得到與ΛΚρ、AKi,八1^對應的模糊調節輸出量；反模糊化單元用于將模糊調節輸出量進行反模糊化計算，得到精確的調節輸出控制量ΛΚρ、AKi, AKd, ΛΚρ、八&和Λ Kd與前一時刻的PID控制的調節參數、Kf -1〗對應相加，即得到當前時刻的PID控制調節參數Kp，Ki, Kd,反模糊化單元將當前時刻的PID控制調節參數Kp，Ki, Kd輸入到PID控制器；PID控制器由比例運算單元、微分運算單元和積分運算單元構成；比例運算單元、微分運算單元和積分運算單元的輸出分別接信號疊加單元；信號疊加單元用于將PID控制器 輸出的控制信號和前饋控制單元輸出的控制信號疊加，得到最終的控制值u(k)并輸出到雙軸光電轉臺的輸入端。一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法；其控制步驟為，I)首先由慣性數字濾波環節將外部輸入的給定隨動信號中的高頻噪聲濾除；2)由離散卡爾曼濾波與估計環節將第I)步處理后的給定隨動信號中每個時刻的隨機噪聲濾除，并得到給定隨動信號代表的對應時刻的位置估計值R幻和速度估計值&人；3)對位置估計值卩(幻與從雙軸光電轉臺反饋過來作為被控量的位置實際值y(k)進行比較得到雙軸光電轉臺的位置誤差e ;4)比較雙軸光電轉臺的位置誤差e與事先設定的誤差閾值Kc的大小，當e值小于Kc時，則進入第5)步；否則直接采用事先設定的固定的PID控制調節參數Kp、K1、Kd進行PID運算，PID運算包括比例運算、微分運算和積分運算；得到PID輸出的控制信號，進入第8)步；5)分別將位置誤差e及位置誤差e的誤差變化率 進行模糊量化，得到對應的模糊值E和Λ E ;6)模糊值E和Λ E再結合與調節量Λ Kp、AKi, Δ Kd對應的模糊規則進行模糊推理，分別得到與ΛΚρ、AKi, Λ Kd對應的模糊調節輸出量；7)將模糊調節輸出量進行反模糊化計算，得到精確的調節輸出控制量ΛΚρ、AKi和Λ Kd，Δ Κρ、Λ Ki和Λ Kd與前一時刻的PID控制的調節參數^對應相加，即得到當前時刻的PID控制調節參數Kp，Ki, Kd，然后再進行PID運算，PID運算包括比例運算、微分運算和積分運算；得到PID輸出控制信號，進入第8)步；8) PID運算后輸出的控制信號和速度估計值/(A)通過前饋校正得到前饋控制信號進行疊加，即得到最終的雙軸光電轉臺控制值u(k)弁到雙軸光電轉臺的輸入端，從而實現對雙軸光電轉臺的控制。進一步地，所述第4)步和第7)步中通過積分運算得到的控制信號被送入抗積分飽和環節進行調節，一旦控制量進入飽和區，將只執行削弱積分項的運算；在計算u(k)時，將判斷上一周期的控制量u (k-Ι)是否因超過限制范圍而取邊界值，當取上界時，積分控制僅將檢測到的負值偏差累計到積分項中；當取下界時，積分控制僅將檢測到的正值偏差累計到積分項中。所述第4)步和第7)步中微分運算的輸出信號被送入低通濾波環節進行調節，對微分環節進行高頻濾波；低通濾波采用二階濾波形式，其連續時間域的傳遞函數如下式所
不，
權利要求
1.一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制系統，其特征在于它包括； 綜合數字濾波與估計單元綜合數字濾波與估計單元由慣性數字濾波單元和離散卡爾曼濾波與估計單元構成，慣性數字濾波單元用于將外部輸入給本復合控制系統的給定隨動信號中的高頻噪聲濾除，慣性數字濾波單元的輸出接離散卡爾曼濾波與估計單元的輸入，由離散卡爾曼濾波與估計單元濾除給定隨動信號中每個時刻的隨機噪聲，得到給定隨動信號對應時刻的位置估計值/ μ)和速度估計值纟(幻； 前饋控制單元用于將離散卡爾曼濾波與估計單元輸出的速度估計值/認；!通過前饋校正以得到前饋控制信號，并輸入到信號疊加單元； 測量單元用于采集雙軸光電轉臺的實際位置信號，得到作為反饋信息的位置實際值y(k)，然后輸入到計算單元； 計算單元用于接收測量單元輸出的位置實際值y(k)和離散卡爾曼濾波與估計單元輸出的位置估計值印fc)，并計算兩者的差值，該差值為雙軸光電轉臺的位置誤差e ； 切換開關切換開關內設比較器，比較器用于比較雙軸光電轉臺的位置誤差e與事先設定的誤差閾值Kc的大小；切換開關根據比較結果擇一地連接模糊決策單元和PID控制器； 模糊決策單元模糊決策單元由依次連接的模糊量化單元、模糊決策單元和反模糊化單元構成；模糊量化單元用于將位置誤差e及位置誤差e的誤差變化率 進行模糊量化運算，以得到對應的模糊值E和ΛΕ ;模糊值E和△ E輸入給模糊決策單元，由模糊決策單元分別根據與ΛΚρ、AKi, Λ Kd對應的模糊規則進行模糊推理，得到與ΛΚρ、AKi, Λ Kd對應的模糊調節輸出量；反模糊化單元用于將模糊調節輸出量進行反模糊化計算，得到精確的調節輸出控制量ΛΚρ、AKi, AKd, ΛΚρ、AKjP Λ Kd與前一時刻的PID控制的調節參數[；| 對應相加，即得到當前時刻的PID控制調節參數Kp，Ki, Kd,反模糊化單元將當前時刻的PID控制調節參數Kp，Ki, Kd輸入到PID控制器； PID控制器由比例運算單元、微分運算單元和積分運算單元構成；比例運算單元、微分運算單元和積分運算單元的輸出分別接信號疊加單元； 信號疊加單元用于將PID控制器輸出的控制信號和前饋控制單元輸出的控制信號疊力口，得到最終的控制值u(k)并輸出到雙軸光電轉臺的輸入端。
2.根據權利要求1所述的基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制系統，其特征在于所述積分運算單元的輸出通過抗積分飽和單元與信號疊加單元連接；所述微分運算單元的輸出通過低通濾波單元與信號疊加單元連接。
3.一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法；其特征在于其控制步驟為， O首先由慣性數字濾波環節將外部輸入的給定隨動信號中的高頻噪聲濾除； 2)由離散卡爾曼濾波與估計環節將第I)步處理后的給定隨動信號中每個時刻的隨機噪聲濾除，并得到給定隨動信號代表的對應時刻的位置估計值卩認)和速度估計值； 3)對位置估計值和t)與從雙軸光電轉臺反饋過來作為被控量的位置實際值y(k)進行比較得到雙軸光電轉臺的位置誤差e ； 4)比較雙軸光電轉臺的位置誤差e與事先設定的誤差閾值Kc的大小，當e值小于Kc時，則進入第5)步；否則直接采用事先設定的固定的PID控制調節參數Kp、Ki, Kd進行PID運算，PID運算包括比例運算、微分運算和積分運算；得到PID輸出的控制信號，進入第8)I K少； 5)分別將位置誤差e及位置誤差e的誤差變化率 進行模糊量化，得到對應的模糊值E和ΛΕ ; 6)模糊值E和ΛE再結合與調節量Λ Κρ、Λ Kp Λ Kd對應的模糊規則進行模糊推理，分別得到與ΛΚρ、AKi, Λ Kd對應的模糊調節輸出量； 7)將模糊調節輸出量進行反模糊化計算，得到精確的調節輸出控制量△&、AKi和Δ Kd, Δ Κρ、Λ Ki和Λ Kd與前一時刻的PID控制的調節參數K；! < 對應相加，即得到當前時刻的PID控制調節參數Kp，Ki，Kd，然后再進行PID運算，PID運算包括比例運算、微分運算和積分運算；得到PID輸出控制信號，進入第8)步； 8)PID運算后輸出的控制信號和速度估計值&幻通過前饋校正得到前饋控制信號進行疊加，即得到最終的雙軸光電轉臺控制值u(k)并輸出到雙軸光電轉臺的輸入端，從而實現對雙軸光電轉臺的控制。
4.根據權利要求3所述的基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法，其特征在于將模糊值Ε、Λ E及與ΛΚρ、AKi, AKd對應的三個模糊調節輸出量分別在其論域上劃分為七個連續的模糊集合，分別是代表負大的NB、代表負中的匪、代表負小的NS、代表零的Ζ0、代表正小的PS、代表正中的PM和代表正大的PB ;第6)步中與AKp對應的模糊規則如表I ;與AKi對應的模糊規則如表2 ;與AKd對應的模糊規則如表3 ； 表IAKp的模糊規則表
5.根據權利要求3或4所述的基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法，其特征在于所述第4)步和第7)步中通過積分運算得到的控制信號被送入抗積分飽和環節進行調節，一旦控制量進入飽和區，將只執行削弱積分項的運算；在計算u(k)時，將判斷上一周期的控制量u(k-l)是否因超過限制范圍而取邊界值，當取上界時，積分控制僅將檢測到的負值偏差累計到積分項中；當取下界時，積分控制僅將檢測到的正值偏差累計到積分項中。
6.根據權利要求5所述的基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法，其特征在于所述第4)步和第7)步中微分運算的輸出信號被送入低通濾波環節進行調節，對微分環節進行高頻濾波；低通濾波采用二階濾波形式，其連續時間域的傳遞函數如下式所示，
7.根據權利要求5所述的基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法，其特征在于所述第3)步前饋校正時，設被控對象的傳遞函數為Gtj(S)，則前饋校正的校正函數取為(Gjs))-1，采用雙線性變換將其離散化，可得到離散形式；雙線性變化的表達式如下
8.根據權利要求5所述的基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法，其特征在于所述第5)步模糊量化采用的隸屬函數為
9.根據權利要求5所述的基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制方法，其特征在于第7)步反模糊化計算采用如下形式
全文摘要
本發明公開了一種基于模糊決策的雙軸光電轉臺復合控制系統和控制方法，控制系統包括綜合數字濾波與估計單元、前饋控制單元、測量單元、切換開關、模糊決策單元、PID控制器和信號疊加單元。比較雙軸光電轉臺的位置誤差e與事先設定的誤差閾值Kc，當e小于Kc時，則進入模糊調節，得到調節輸出控制量ΔKp、ΔKi和ΔKd，進而得到PID控制調節參數Kp，Ki，Kd，再進行PID運算；否則直接采用事先設定的固定的調節參數進行PID運算，得到PID輸出的控制信號。本發明有效減小了非線性、時變性和模型不確定性對雙軸光電轉臺的精度影響，解決了PID控制器中的積分飽和及高頻擾動，克服給定隨機信號中隨機噪聲影響，確保系統能夠長期連續穩定工作。
文檔編號G05D3/12GK103034249SQ20121057889
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者王斌, 魏貴玲 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所