[發(fā)明專利]用于光電跟蹤系統(tǒng)的二階模糊-動(dòng)態(tài)高型控制器設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110362455.8
• 申請(qǐng)日: 2021-04-02
• 公開（公告）號(hào): CN113093546B
• 公開（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛耀;秦樹旺;包啟亮;陳興龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明

本發(fā)明提供一種用于光電跟蹤系統(tǒng)的二階模糊?動(dòng)態(tài)高型控制器設(shè)計(jì)方法，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)切換型別可以避免積分飽和，同時(shí)又能保留高型別的優(yōu)勢(shì)。模糊控制可以根據(jù)輸入變化動(dòng)態(tài)改變輸出值，將其作為積分器通斷的執(zhí)行器。區(qū)間二階模糊控制器相比一階模糊控制器有更強(qiáng)的處理不確定性的能力，對(duì)于實(shí)際物理系統(tǒng)有更好的控制效果。提出一種改進(jìn)的WTNT降型算法，相比傳統(tǒng)NT算法提高了二階模糊控制器的解模糊精度。利用多種群優(yōu)化算法對(duì)模糊控制器參數(shù)進(jìn)行迭代尋優(yōu)，在光電跟蹤系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，對(duì)比了傳統(tǒng)控制器、一階模糊控制器與區(qū)間二階模糊控制器的控制效果，證明區(qū)間二階模糊動(dòng)態(tài)高型控制系統(tǒng)具有更快的響應(yīng)性能、更高的穩(wěn)態(tài)精度以及更強(qiáng)的抑制不確定性能力。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電系統(tǒng)跟蹤控制領(lǐng)域，具體涉及一種用于光電跟蹤系統(tǒng)的區(qū)間二階模糊-動(dòng)態(tài)高型控制器設(shè)計(jì)方法，以區(qū)間二階模糊控制器作為判斷機(jī)構(gòu)，控制積分器的通斷，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高型控制。此方法光電跟蹤系統(tǒng)中，明顯提高光電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

背景技術(shù)

光電伺服跟蹤設(shè)備廣泛應(yīng)用于光束控制系統(tǒng)，例如自適應(yīng)光學(xué)，自由空間通信，視線穩(wěn)定等，在軍事和民用領(lǐng)域都有重要應(yīng)用價(jià)值[1-3]。其跟蹤性能是評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)最為重要的指標(biāo)。高型技術(shù)可以有效提高跟蹤精度和反應(yīng)速度，然而型別升高會(huì)使系統(tǒng)階躍響應(yīng)的超調(diào)量增加，加劇系統(tǒng)震蕩，導(dǎo)致積分飽和。由此，“動(dòng)態(tài)高型”方法被提出以解決此問題，即根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)判斷積分環(huán)節(jié)的接入與斷開，實(shí)時(shí)改變系統(tǒng)型別，可以避免積分飽和。然而動(dòng)態(tài)高型技術(shù)存在兩個(gè)主要問題：

(1)型別切換的標(biāo)準(zhǔn)沒有定義。在什么時(shí)機(jī)提高型別，在何時(shí)降低型別，目前文獻(xiàn)中沒有給出理論指導(dǎo)。此外，大部分文獻(xiàn)中所用的手動(dòng)切換方法，不準(zhǔn)確也沒有實(shí)用性。

(2)型別切換瞬間帶來的震蕩難以消除。在已有的研究中，每當(dāng)型別切換的瞬間會(huì)給系統(tǒng)帶來較大的抖振，增加不穩(wěn)定性，降低其魯棒性。

在“Design of Opto-Electronic Tracking Servo System Based on Fuzzy II-order Control System”一文中提出了“模糊II型控制器”，應(yīng)用一階模糊控制器結(jié)合積分器實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高型控制，但是模糊控制器的參數(shù)完全依賴人為設(shè)定，并且在現(xiàn)實(shí)非結(jié)構(gòu)化的動(dòng)態(tài)環(huán)境和許多具體應(yīng)用中,傳統(tǒng)的一階模糊控制器會(huì)面臨諸多不確定性,主要包括測(cè)量噪聲、摩擦以及規(guī)則庫差異等等。

因此，引入二階模糊控制器并且結(jié)合多種群遺傳算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)，可以明顯改善控制系統(tǒng)的控制性能，使系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的處理不確定性的能力并且減少對(duì)人類經(jīng)驗(yàn)的依賴，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：光電跟蹤系統(tǒng)需要同時(shí)滿足跟蹤精度及反應(yīng)速度的要求。然而跟蹤精度與反應(yīng)速度之間存在固有矛盾，現(xiàn)有的反饋控制方法不具備調(diào)節(jié)這種矛盾的能力。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：設(shè)計(jì)一種二階模糊-動(dòng)態(tài)高型控制方法，提出WTNT降型算法進(jìn)行解模糊，并應(yīng)用多種群遺傳算法進(jìn)行控制參數(shù)尋優(yōu)，同時(shí)提高系統(tǒng)的跟蹤精度和反應(yīng)速度。該方法包括以下步驟：

步驟1：建立光電跟蹤系統(tǒng)經(jīng)典I型雙閉環(huán)控制器數(shù)學(xué)模型；

步驟2：在速度環(huán)之前并入一個(gè)區(qū)間二階模糊控制器和一個(gè)積分器構(gòu)成模糊II型結(jié)構(gòu)；模糊控制的輸入為系統(tǒng)跟蹤誤差及誤差的變化率，對(duì)其進(jìn)行模糊化，并設(shè)計(jì)二階隸屬度函數(shù)；根據(jù)輸入輸出關(guān)系，設(shè)計(jì)模糊規(guī)則庫；在模糊規(guī)則指導(dǎo)下進(jìn)行模糊推理；

步驟3：應(yīng)用WTNT降型算法對(duì)模糊推理之后的區(qū)間二階模糊集合進(jìn)行降型得到一階模糊集合，然后進(jìn)行解模糊，得到的精確輸出值作為積分器的增益；

步驟4：應(yīng)用多種群遺傳算法對(duì)模糊控制器的兩個(gè)輸入比例因子和一個(gè)輸出比例因子進(jìn)行迭代尋優(yōu)，使控制器達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

進(jìn)一步地，系統(tǒng)工作原理：

所述步驟1具體為：