[發明專利]一種光電跟蹤器視軸穩定回路的模糊控制方法

有效

• 申請號: 201410367155.9
• 申請日: 2014-07-30
• 公開（公告）號: CN104199287B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 羅健;田丹;楊瀚程;戴燕晨;吳云江;魏超;唐國珍
• 申請（專利權）人: 寧波成電泰克電子信息技術發展有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 寧波奧圣專利代理事務所(普通合伙)33226
• 代理人: 方小惠

1.一種光電跟蹤器視軸穩定回路的模糊控制方法，其特征在于包括以下步驟：

①.構建初始模糊控制器：

①-1.構建初始模糊控制器的二維查找表，包括以下步驟：

a.將光電跟蹤器視軸穩定回路中控制器的兩個輸入信號分別記為e和ec，輸出信號記為u，將e的論域記為E，ec的論域記為EC，u的論域記為U，將E、EC和U都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NM、代表負小的NS、代表零的ZO、代表正小的PS、代表正中的PM和代表正大的PB，所有模糊集合都采用三角形隸屬度函數，兩個量化因子都取1，采用的模糊控制規則如下表1所示，

表1.控制規則集

采用的隸屬度函數如下：其中X分別代表論域E、EC以及U；

A1(X)=1,-1≤X<-0.8-4X-2.2,-0.8≤X<-0.550,others---(1)]]>

A2(X)=2.63X+2.18,-0.83≤X<-0.45-4X-0.8,-0.45≤X<-0.20,others---(2)]]>

A3(X)=4.35X+1.78,-0.41≤X<-0.18-5.56X,-0.18≤X<00,others---(3)]]>

A4(X)=5X+1,-0.2≤X<0-5X+1,0≤X<0.20,others---(4)]]>

A5(X)=6.67X,0≤X<0.15-4.35X+1.65,0.15≤X<0.380,others---(5)]]>

A6(X)=4X-0.8,0.2≤X<0.45-2.38X+2.07,0.45≤X<0.870,others---(6)]]>

A7(X)=4X-2.2,0.55≤X<0.81,0.8≤X<10,others---(7)]]>

b.開啟光電跟蹤器視軸穩定回路使其進入工作狀態，對光電跟蹤器視軸穩定回路輸入j(j≥100)次幅值在(-1rad/s,1rad/s)范圍內隨機的角速率信號，采集光電跟蹤器視軸穩定回路輸出端輸出的j次輸出角速率信號，將每一次輸入的角速率信號減去上一次光電跟蹤器視軸穩定回路反饋的輸出角速率信號得到誤差信號e作為控制器的一個輸入信號，對每一次的誤差信號e做前向差分得到誤差變化率信號ec作為控制器的另一個輸入信號，由此得到j組由誤差信號e和誤差變化率信號ec組成的控制器的輸入信號，將j個誤差信號e和j個誤差變化率信號ec分別取絕對值|e|和|ec|，j個絕對值|e|中最大值記為e_max及最小值記為e_min，j個絕對值|ec|中最大值記為ec_max及最小值記為ec_min，將j組誤差信號e和誤差變化率信號ec依次輸入控制器中，采集控制器輸出端的j個輸出信號u，將j個輸出信號u分別取絕對值|u|，將j個|u|的最大值記為u_max以及最小值記為u_min，并求出中位值然后對光電跟蹤器視軸穩定回路輸入k(k≥100)次幅值為1的階躍信號，同時本步驟前述方法得到k次中|e|的最大值step_e_max以及|ec|的最大值step_ec_max；

c.將誤差信號e和誤差變化率信號ec的大小范圍分別歸一化為：e∈[-1,-e_min/e_max]∪[e_min/e_max,1]以及ec∈[-1,-ec_min/ec_max]∪[ec_min/ec_max,1]；

d.在e∈[-1,-e_min/e_max]∪[e_min/e_max,1]范圍內每隔(1-e_min/e_max)/(n-1)取一個點，共計2n個點，記為點集A，在ec∈[-1,-ec_min/ec_max]∪[ec_min/ec_max,1]的范圍內每隔(1-ec_min/ec_max)/(n-1)取一個點，共計2n個點，記為點集B，其中n為大于1的整數，以點集A作為列，點集B作為行構建一張空白的2n×2n的表格；

e.將點集A和B作為誤差信號e及誤差變化率信號ec的測試向量輸入按步驟a確立的控制器，將點集A和B中信號的論域模糊子集及其隸屬度函數按照設定的模糊控制規則進行max-min映射，得到輸出信號的模糊表達后按照重心法解模糊，解模糊采用公式其中C_k為輸出論域劃分值，μ_C(C_k)為輸出論域隸屬度函數的最大值，點集A和B中的數據都輸入控制器完成解算后得到控制器所有的輸出值，記錄輸出值中的最大值和最小值求取其中位值將輸入的點集A和B中數據與對應的控制器輸出數據按序存入按步驟d建立的表格，然后將該表格的行和列按均勻間隔各取7個點構成7×7的表格，得到初始模糊控制器的二維查找表；

①-2.將求得的二維查找表取代控制器中如表1所示的控制規則集，兩個量化因子k₁＝k₂＝1，控制器比例因子確定第一輸入伸縮因子第二輸入伸縮因子確定輸出調整因子β(e,ec)=12(|e/step_emax|τ3+|ec/step_ecmax|τ4+ϵ3),]]>將七個未知參數(τ₁、τ₂、τ₃、τ₄、ε₁、ε₂、ε₃)初始化為(0.5,0.5,0.5,0.5,0.05,0.05,0.05)，最終確立了初始的模糊控制器，以上式子中step_e_max、step_e_max、為第①-1步中的第b步獲得，由第①-1步中的第e步獲得；

②.對第一輸入伸縮因子α₁、第二輸入伸縮因子α₂以及輸出調整因子β的七個參數(τ₁、τ₂、τ₃、τ₄、ε₁、ε₂、ε₃)進行粒子群尋優，包括以下步驟：

②-1.確立初始模糊控制器后，設定粒子種群數為M(M≥1)，迭代次數為N(N≥1)，粒子群尋優空間維數為7；

②-2.建立粒子群尋優適應度函數fitness，該函數由階躍響應的超調量、穩態誤差、上升時間以及調整時間組合而成，表達式為：

fitness=k1∫0tt|e(t)|dt+k2Mp+k3∫0te(t)dt+k4tr+k5ts,]]>式中，t為仿真時間，(200ms≤t≤1000ms)，e(t)表示階躍響應與輸入的差值，Mp表示階躍響應的超調量，其中y_max表示階躍響應的峰值，表示階躍響應的穩態值，t_r表示階躍響應的調整時間，t_r等于階躍響應值從穩態值的10％上升到穩態值90％所需的時間，t_s表示階躍響應的調整時間，t_s等于從t＝0開始計時階躍響應值與階躍信號值之間的偏差達到2％時所經歷的暫態過程時間，k₁～k₅表示對應評價指標對適應度函數的貢獻度，其中4000≤k₁≤6000,40≤k₂≤60,40≤k₃≤60,40≤k₄≤60,40≤k₅≤60；

②-3.對光電跟蹤器視軸穩定回路輸入幅值為1的階躍信號，采集光電跟蹤器視軸穩定回路輸出信號，輸入信號減去光電跟蹤器視軸穩定回路反饋的輸出信號得到誤差信號e，同時對e做前向差分得到誤差變化率信號ec；

②-4.將七維粒子所代表的七個數據(τ₁,τ₂,τ₃,τ₄,ε₁,ε₂,ε₃)代入第一輸入伸縮因子α1=|e/step_emax|τ1+ϵ1,]]>第二輸入伸縮因子α2=|ec/step_ecmax|τ2+ϵ2]]>以及輸出調整因子β(e,ec)=12(|e/step_emax|τ3+|ec/step_ecmax|τ4+ϵ3);]]>

②-5.將e除以輸入第一輸入伸縮因子α₁，ec除以第二輸入伸縮因子α₂進行擴張后，通過量化因子k₁和k₂量化后作為二維查找表的查找索引，在二維查找表中找到輸出值后經過比例因子γ放大，再通過輸出調整因子β進行調整后作為初始模糊控制器的輸出，然后驅動后續的執行機構，最后得到光電跟蹤器視軸穩定回路輸出的階躍響應信號，如果求取初始化粒子群的局部最優粒子和全局最優粒子，則轉至第②-6步，否則轉至第②-7步；

②-6.分析階躍響應信號并提取超調量、穩態誤差、上升時間以及調整時間，按照fitness函數計算出該粒子的適應度函數值，并記錄該粒子對應的適應度函數值，回到第②-3步開始計算下一個粒子的適應度函數值，直到完成對第M個粒子的計算，記錄這M次計算的最小適應度函數，每個粒子的初始化值即為初始粒子群的局部最優粒子p_pb，最小適應度函數值對應的粒子即為全局最優粒子p_gb，完成對第M個粒子的初始計算后，回到第②-3步開始下一次粒子群迭代尋優；

②-7.找到上一個粒子或上一次尋優時粒子群中的局部最優粒子p_pb以及全局最優粒子p_gb后，需對粒子群中的其他粒子進行迭代尋優，按以下公式更新該次第i(i為不大于M的正整數)個粒子的飛行速度及位置

v_i(n+1)＝ω×v_i(n)+r₁c₁(p_pb-p_i(n))+r₂c₂(p_gb-p_i(n))，p_i(n+1)＝p_i(n)+v_i(n+1)，其中，v_i(n+1)為更新后的粒子速度，v_i(n)為粒子當前速度，p_i(n+1)更新后的粒子位置，p_i(n)為粒子當前位置，w為飛行慣性權值，r₁和r₂為[0,1]的隨機數，c1和c2是學習因子；

②-8.每個粒子的位置更新完成后，對其加上位置限制，z_i＝p_i-θ₀，y_i^T＝sign(z_i^T)×min(abs(z_i),R)，其中，R為牽引半徑，θ₀為牽引中心，p_i表示當前粒子的空間位置向量，z_i表示當前粒子與牽引中心的距離向量，y_i表示更新后與牽引中心的距離向量，表示修正后的粒子位置向量；

②-9.分析第②-5步獲得的階躍響應并提取超調量、穩態誤差、上升時間以及調整時間，然后依照fitness函數求出該粒子的適應度函數值，每次更新完一個粒子，通過與上一個粒子的適應度值進行比較，尋找并記憶粒子群目前的局部最優粒子p_pb以及全局最優粒子p_gb；

②-10.下一個粒子的計算又回到②-3步開始，直到完成對M個粒子的尋優，尋完M個粒子后就結束了此次尋優然后跳轉到②-11進行下一次的尋優，尋完一個粒子就記憶每個粒子目前的局部最優粒子p_pb以及當前粒子群的全局最優粒子p_gb；

②-11.下一次粒子群尋優從②-3步開始，直到尋滿設定的N次為止，尋完N次就結束了粒子群尋優，第N次尋優得到的全局最優粒子p_{gb_final}即為第一輸入伸縮因子α₁、第二輸入伸縮因子α₂以及輸出調整因子β的待確定七個參數(τ₁,τ₂,τ₃,τ₄,ε₁,ε₂,ε₃)；

③.模糊控制器參數尋優完成

將步驟②得到的最優第一輸入伸縮因子α₁、第二輸入伸縮因子α₂以及輸出調整因子β的待確定七個參數(τ₁,τ₂,τ₃,τ₄,ε₁,ε₂,ε₃)取代其在初始模糊控制器中的初始值，得到最優模糊控制器；

④開啟光電跟蹤器視軸穩定回路，對光電跟蹤器視軸穩定回路輸入角速率信號，將兩個量化因子都更改為輸入角速率信號最大值的倒數，輸入角速率信號經過最優模糊控制器的輸出后經過PWM伺服驅動器后轉化為脈寬調制信號(PWM信號)，該信號驅動電機帶動負載平臺產生角速度，即光電跟蹤器視軸穩定回路的輸出，從而實現對光電跟蹤器跟蹤速度的控制。