天線控制系統(tǒng)中P-Fuzzy-PI控制器的設(shè)計

劉會鋒,喬建江

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊050081)

0 引言

隨著空間電子技術(shù)的飛速發(fā)展,地球同步衛(wèi)星系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,與此同時,國內(nèi)外也都在大力發(fā)展極軌衛(wèi)星系統(tǒng),使衛(wèi)星遙感技術(shù)服務(wù)于科學試驗、地球資源探測、環(huán)境監(jiān)測、海洋及氣象情報和災(zāi)情探測等各種業(yè)務(wù)。在地面站設(shè)備中,對于遙感遙測、測控測角而言,天線控制系統(tǒng)都是重要的組成部分。

分析發(fā)現(xiàn),天線控制系統(tǒng)中經(jīng)典的 PID(比例、積分、微分)控制器存在相應(yīng)速度慢和超調(diào)量大的缺點,為了改善系統(tǒng)的性能,提出和研究了P-Fuzzy-PI控制器。

1 天線控制系統(tǒng)分析與設(shè)計

天線控制系統(tǒng)主要由天線控制單元、天線驅(qū)動單元、軸角編碼單元和安全保護單元等組成,系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 天線控制系統(tǒng)組成

1.1 天線控制單元

天線控制單元(ACU)由數(shù)據(jù)采集卡、D/A(數(shù)字/模擬)轉(zhuǎn)換卡、網(wǎng)卡、通用工業(yè)控制計算機和自己設(shè)計的電路板組成,天線控制軟件安裝于ACU內(nèi)。

ACU是跟蹤控制系統(tǒng)的核心部分,主要完成跟蹤任務(wù)的自動化監(jiān)測、數(shù)據(jù)處理,協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備完成對目標的精確跟蹤,完成天線的運動姿態(tài)控制以及各種控制策略的實時計算和實施,同時對各測量信息進行記錄、分析和顯示,向站控管理子系統(tǒng)上報設(shè)備狀態(tài)和天線角度等信息。

1.2 天線驅(qū)動單元

天線驅(qū)動單元分為方位軸驅(qū)動單元、俯仰軸驅(qū)動單元和傾斜驅(qū)動單元3個部分,分別驅(qū)動天線的方位軸、俯仰軸和傾斜軸。

在高精度天線系統(tǒng)中,齒隙對系統(tǒng)的定位精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性等指標有很大的影響,因此一般都采用不同的消隙措施,以保證系統(tǒng)的指標,雙電機消隙是一種很好的方法。

雙電機消隙的基本原理是用2個相同的電機通過各自的減速裝置驅(qū)動同一個負載,通過力矩偏置和力矩均衡電路去控制電機的工作狀態(tài),在負載轉(zhuǎn)矩較小時,2個電機輸出方向相反的力矩。一個電機的工作狀態(tài)為主動電動機狀態(tài),另一個電機的狀態(tài)為被動制動狀態(tài),這2種狀態(tài)隨著負載力矩的方向變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變,并且這種變化是平滑連續(xù)的,這樣就保證負載的低速運轉(zhuǎn)平滑且無齒隙出現(xiàn)。隨著負載力矩的增大被動狀態(tài)的電機也變?yōu)橹鲃訝顟B(tài),2個電機共同拖動負載。

1.3 軸角編碼單元

軸角編碼單元主要是將天線的角度位置量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,采用旋轉(zhuǎn)變壓器、軸角轉(zhuǎn)換器(RDC)組合電路方案,這種方案的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換精度高,直接產(chǎn)生數(shù)字信號,使用方便,并且不易受到干擾,角度的精度根據(jù)實際要求選擇。

試驗中旋轉(zhuǎn)變壓器采用國產(chǎn)高精度套軸1∶32對極雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器,RDC采用14位編碼器,經(jīng)過雙通道粗精結(jié)合得到17位精度的數(shù)據(jù)。

1.4 安全保護單元

安全保護單元由鎖定機構(gòu)和限位開關(guān)組成,安裝在天線座上相應(yīng)的位置。

在天線收藏后需要進行入鎖操作,以保證在大風天氣下天線不損壞。

限位開關(guān)用于限制天線的轉(zhuǎn)動范圍,當天線轉(zhuǎn)到限位開關(guān)處時,限位開關(guān)發(fā)出限位信號,禁止天線轉(zhuǎn)動,以保證天線的安全。

2 P-Fuzzy-PI控制器的設(shè)計

要提高基于模糊控制器的精度和跟蹤性能,就必須對語言變量取更多的語言值,及分檔越細性能越好,但同時帶來的計算量也大大的增加,以至模糊控制規(guī)則表也難以把握,調(diào)試更加困難,或者不能滿足實時控制的要求,解決這個矛盾的一個方法是在論域內(nèi)用不同的控制方法分段實現(xiàn)控制。當偏差大于閥值時用比例控制器,以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,加快響應(yīng)過程,當偏差小于閥值時切換轉(zhuǎn)入模糊控制,以提高系統(tǒng)的阻尼性能,減小響應(yīng)過程的超調(diào)量。這樣就綜合了比例控制和模糊控制的優(yōu)點。在這種方法中,模糊控制的論域僅是整個論域的一部分,就相當于模糊控制論域被壓縮,等效于語言變量的語言值及分檔數(shù)增加,提高了靈敏度和控制精度。

然而由于模糊控制沒有積分環(huán)節(jié),對輸入的控制是離散和有限的,而且控制曲面是階梯型而非平滑的,因而最終必然存在穩(wěn)態(tài)余差,及在平衡點附近出現(xiàn)小振幅的震蕩現(xiàn)象。而PI控制在平衡點附近的小范圍調(diào)節(jié)效果是較理想的,其積分作用可最終消除余差。

P-Fuzzy-PI控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 P-Fuzzy-PI控制器結(jié)構(gòu)

在系統(tǒng)中控制電壓V和A/D轉(zhuǎn)換值 a成線性關(guān)系,

所以把 V作為輸入來討論,V的誤差e和誤差的變化率e·作為模糊控制器的輸入,所以以 V的值作為控制量來討論,圖2中 V為設(shè)定值;v為實際測量的電機反饋值,從圖中可得:

模糊控制器的作用是根據(jù)e和e·來調(diào)節(jié)V的值,從而控制天線的轉(zhuǎn)動,系統(tǒng)中V范圍為[-5,5]。

2.1 P控制

P控制器算法公式為:

式中,kp=0.8。

當偏差的絕對值大于5°時用比例控制器,比例控制器得特點是響應(yīng)速度快,可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)過程。

2.2 PI控制

PI控制器的開環(huán)傳遞函數(shù)[1]為:

式中,K(s)為傳遞函數(shù);Ka為系統(tǒng)增益;T為采樣周期;τ為時間常數(shù)期;ξ為阻尼系數(shù)。

通常在離散化的天線控制系統(tǒng)中采用增量式數(shù)字PI控制算法,所謂增量式PI是指數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出只是控制量的增量,其表達為[2]:

式中,Kp為比例放大系數(shù),Kp=0.1;Ts為采樣周期,Ts=0.046s;Ti為積分時間常數(shù),Ti=1.0;為當前增量輸出為第k次偏差。

PI算法為二階無靜差體制,可以消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差,提高系統(tǒng)的跟蹤精度[3]。

2.3 Fuzzy控制

隸屬函數(shù)如圖3所示。

圖3 隸屬函數(shù)圖

圖3中,當 -5≤e≤-1或1≤e≤5時采用Fuzzy控制,使用查表法進行天線控制系統(tǒng)模糊控制器的設(shè)計。由于模糊控制器的硬件結(jié)構(gòu)采用工控機來實現(xiàn),因此為了節(jié)約內(nèi)存和運行時間,實際控制過程中不進行實時推理,而是離線計算出輸入輸出的對應(yīng)關(guān)系,并以表格的形式存儲在工控機的內(nèi)存中,工控機根據(jù)實測輸入值查詢表格,得到相應(yīng)的輸出值[4]。選定 e的論域為:{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},e的語言值為 :{NB,NM,NS,N0,P0,PS,PM,PB};e·的論域為:{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},e·的語言值為:{NB,NS,0,PS,PB};選定 V論域為:{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},語言值為:{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB},隸屬函數(shù)如圖3所示。

3 仿真結(jié)果分析

基于Matlab仿真環(huán)境,對系統(tǒng)仿真得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

從圖形可以得出系統(tǒng)的上升時間為0.5 s,震蕩次數(shù)為1次。最大超調(diào)為0.2°,靜態(tài)誤差為0,P-Fuzzy-PI控制器于常規(guī)的PID控制器相比,大大提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和抗外部干擾及內(nèi)部參數(shù)變化的魯棒性,減小了超調(diào),改善了動態(tài)性能。與簡單模糊控制器相比,他減小了穩(wěn)態(tài)誤差,提高了平衡點的穩(wěn)定性,驗證了P-Fuzzy-PI控制器的正確性。

4 結(jié)束語

P-Fuzzy-PI控制器是針對天線控制系統(tǒng)而設(shè)計的,解決了天線控制系統(tǒng)中超調(diào)過大、響應(yīng)時間慢的缺點,整個系統(tǒng)具有實時性好、系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)、可靠性高的優(yōu)點,系統(tǒng)所能達到的跟蹤精度滿足工程技術(shù)要求。

[1]孫德寶.自動控制原理[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002:100-110.

[2]魏英杰.船站氣象雷達目標前饋[J].無線電工程,2007,37(5):44-46.

[3]韓文澤,董旭峰.衛(wèi)星地面站天線的最優(yōu)跟蹤技術(shù)[J].無線電工程,2005,35(5):44-46.

[4]諸 靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997:150-170.