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              光電跟蹤伺服系統(tǒng)中模糊控制器的設(shè)計和仿真
        
              
              廣州博瑋伺服科技有限公司
        
              
                  		
        
        

        
         
          
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摘 要：

        隨著被測目標(biāo)速度和加速度的提高，對光電跟蹤伺服系統(tǒng)的快速捕獲能力也提出了越來越高的要求。采用經(jīng)典控制方法不能完全滿足工程需求。本文設(shè)計了一種比例因子自調(diào)整二維模糊控制器加入到光電跟蹤伺服系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明，伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能有了很大的提高。

        引 言：

        　　近年來，人們廣泛的將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域。它以其不依靠被控對象的精確數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)性好、系統(tǒng)魯棒性好以及易于實現(xiàn)無超調(diào)控制[1]而受到業(yè)內(nèi)人士青睞。尤其是二維模糊控制器，以其設(shè)計相對簡單，控制精度較高而備受矚目。本文在經(jīng)典控制方法的基礎(chǔ)上，加入比例因子自調(diào)整二維模糊控制器構(gòu)成一種伺服控制系統(tǒng)模型，通過編寫M文件的S函數(shù)來進(jìn)行經(jīng)典控制方法和模糊控制器之間的切換，仿真結(jié)果表明，光電跟蹤伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能有很大改善。

        一、光電跟蹤伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

        　　光電跟蹤伺服系統(tǒng)屬于雙閉環(huán)單輸入單輸出位置隨動系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。本文針對的控制對象是光電跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺，其傳遞函數(shù)是：
        　

        　　速度環(huán)和位置環(huán)的控制器利用超前-滯后補償方法設(shè)計，閉環(huán)系統(tǒng)的主要組成環(huán)節(jié)可以參見參考文獻(xiàn)[2]，這里不再詳述。

        二、模糊控制器設(shè)計

        　　控制系統(tǒng)工具箱（Control System Toolbox）是MATLAB軟件包中的專門針對控制系統(tǒng)工程設(shè)計的函數(shù)和工具的集合。該工具箱提供了豐富的算法程序以完成一般控制系統(tǒng)的設(shè)計、分析和建模

        　　SIMULINK是用來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境，通過SIMULINK提供的豐富功能塊，可以迅速地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。模糊邏輯工具箱，利用基于模糊邏輯的系統(tǒng)設(shè)計工具，通過GUI，可以完成模糊控制推理系統(tǒng)設(shè)計的全過程，利用簡單的模糊規(guī)則對復(fù)雜的系統(tǒng)行為進(jìn)行建模，然后將這些規(guī)則應(yīng)用于模糊推理系統(tǒng);S函數(shù)是SIMIULINK提供的一種功能強大的編程機制，通過S-function用戶可以實現(xiàn)用戶自己的算法。

        　　1、模糊控制輸入變量的設(shè)計和選擇

        　　系統(tǒng)中的模糊控制器采用雙輸入單輸出型控制器。輸入變量為偏差信號E和偏差變化率EC。輸出變量為控制量U。E、EC、U的量化論域均為（-6 6），模糊子集均為｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝。在MATLAB主界面命令窗口中鍵入FUZZY命令，將進(jìn)入模糊控制器的圖形用戶界面FIS編輯器，分別建立E、EC、U的隸屬度函數(shù)。這里選用三角形（trimf）隸屬度函數(shù)。

        　　2、模糊控制規(guī)則的建立

        　　模糊控制規(guī)則有兩種方法：經(jīng)驗歸納法和推理合成法，本文中采用的是經(jīng)驗歸納法。

        　　模糊控制規(guī)則的建立遵循以下原則：

        　　當(dāng)偏差為正向較大且偏差變化為正向較大時，控制量U的輸出應(yīng)為正向較大;

        　　當(dāng)偏差為正向較小或零且誤差變化為正向較小或零時，控制量U的輸出應(yīng)為正向較小或零;

        　　當(dāng)偏差為負(fù)向較小且誤差變化為較小時，控制量U的輸出應(yīng)為負(fù)向較小;

        　　當(dāng)偏差為負(fù)向較大且偏差變化為負(fù)向較大時，控制量U的輸出應(yīng)為負(fù)向較大。

        　　在FIS編輯器中設(shè)計模糊控制規(guī)則，如表一所示：

        表一 光電跟蹤伺服系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表
        Table.1 Fuzzy control rule table of opto-electronic tracking servo system

        三、帶有二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)仿真模型簡介：

        　　如圖一所示，光電跟蹤伺服系統(tǒng)是雙環(huán)隨動系統(tǒng)，他由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成，在位置環(huán)上，模糊控制器和常規(guī)經(jīng)典控制器被設(shè)計成按系統(tǒng)偏差大小進(jìn)行分段控制。

        圖一 帶有自調(diào)整因子二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)SIMULINK仿真模型
        Fig.1 simulation model of SIMULINK of opto-electronic tracking servo system with self-tuning two-dimension fuzzy controller

        圖二 Subsystem1的SIMIULINK仿真模型
        Fig.2 simulation model of SIMULINK of Subsystem1

        　　Subsystem1子系統(tǒng)如圖二所示，偏差E和EC是S-函數(shù)的兩個輸入，S-函數(shù)的輸出是比例因子Ke、Kec和Ku還有位置環(huán)常規(guī)控制器的輸入jd。

        　　應(yīng)用S-函數(shù)ep11_he.m能實現(xiàn)兩種控制器之間的切換，切換點選取為0.1。當(dāng)系統(tǒng)偏差絕對值大于切換點時，為模糊控制器工作，使系統(tǒng)偏差迅速減小;小于切換點時，Subsystem1子系統(tǒng)的jd端口輸出為e，常規(guī)控制器控制工作，保證系統(tǒng)控制精度[3]。ep11_he.m對模糊控制器的兩個輸入E和EC的比例因子Ke和Kec進(jìn)行配置。由于比例因子Ke和Kec的取值對光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大。Ke選取較大，系統(tǒng)的超調(diào)量也較大，過渡過程較長，但上升時間變短;Kec的取值越大，系統(tǒng)超調(diào)量越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，同時，模糊控制器輸出比例因子Ku選擇過小將導(dǎo)致動態(tài)過程變長，過大又會使系統(tǒng)振蕩[4]。按照這一規(guī)律（經(jīng)過仿真試驗驗證），在S-函數(shù)ep11_he.m中，特別將兩個輸入E和EC分別與兩個輸入比例因子Ke和Kec聯(lián)系，使Ke和Kec隨著E和EC的變化而變化，當(dāng)偏差較大時，Ke取較大值，系統(tǒng)上升時間變短，響應(yīng)速度較快;當(dāng)偏差較小時，Ke應(yīng)為較小值，使系統(tǒng)超調(diào)下降;同樣，對于偏差變化可以使之與EC建立聯(lián)系，在系統(tǒng)響應(yīng)的上升時間里，保持較大值，以減小系統(tǒng)超調(diào)量;當(dāng)EC較小時，Kec的值迅速減小，系統(tǒng)保持較快的響應(yīng)速度。ep11_he.m中對于Ku的取值原則，在系統(tǒng)響應(yīng)的上升狀態(tài)中，使Ku取較大的值，減小系統(tǒng)的動態(tài)過程時間;當(dāng)系統(tǒng)E和EC比較小時，Ku取較小的值，避免系統(tǒng)振蕩。

        四、結(jié)果分析:

        　　經(jīng)過仿真，得到常規(guī)控制器階躍響應(yīng)曲線（圖三）和帶有二維模糊控制控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)（圖四、圖五）的階躍響應(yīng)曲線如下：

        圖三　光電跟蹤伺服系統(tǒng)經(jīng)典控制器的階躍響應(yīng)曲線
        Fig.3 step response of classic control of opto-electronic tracking servo system

        圖四　帶有二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線
        Fig.4 step response of opto-electronic tracking servo system with two-dimension fuzzy control

        圖五 帶有自調(diào)整因子二維模糊控制器光電跟蹤伺服系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線
        Fig.5 step response of opto-electronic tracking servo system with self-tuning two-dimension fuzzy control

        　　對比帶有自調(diào)整因子的二維模糊控制器光電跟蹤伺服系統(tǒng)（圖五）、經(jīng)典控制器和一般二維模糊控制器的階躍響應(yīng)曲線（如圖三，圖四）可以得出，自調(diào)整因子二維模糊控制器和經(jīng)典控制器（它的超調(diào)較大、高于15%，調(diào)節(jié)時間以達(dá)到±5%為準(zhǔn)大于0.4秒）和一般二維模糊控制器（它的超調(diào)為1.2%，調(diào)節(jié)時間以達(dá)到+-5%為準(zhǔn)，約0.3秒）相比，它的超調(diào)量較小，為0.6%，調(diào)節(jié)時間以達(dá)到±5%為準(zhǔn)，為0.04秒，仿真表明加入比例因子自調(diào)整二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能。 
        
		
          	
                  		
        
        
                  
      
        
      
        
        
         
           
        
        
      
        
      

        
  
         
    
      
        
        
        
		  
          
            
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