工控自動化技術文摘：光電跟蹤伺服係統中模糊控製器的設計和仿真

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光電跟蹤伺服係統中模糊控製器的設計和仿真廣州博瑋伺服科技有限公司

摘要： suizhebeicemubiaosuduhejiasududetigao，duiguangdiangenzongsifuxitongdekuaisubuhuonengliyetichuleyuelaiyuegaodeyaoqiu。caiyongjingdiankongzhifangfabunengwanquanmanzugongchengxuqiu。benwenshejileyizhongbiliyinzizitiaozhengerweimohukongzhiqijiarudaoguangdiangenzongsifuxitongzhong。fangzhenjieguobiaoming，sifuxitongdedongtaixingnengyoulehendadetigao。引言：　　近年來，人們廣泛的將模糊控製技術應用於生產生活各個領域。它以其不依靠被控對象的精確數學模型、適應性好、係統魯棒性好以及易於實現無超調控製[1]而(er)受(shou)到(dao)業(ye)內(nei)人(ren)士(shi)青(qing)睞(lai)。尤(you)其(qi)是(shi)二(er)維(wei)模(mo)糊(hu)控(kong)製(zhi)器(qi)，以(yi)其(qi)設(she)計(ji)相(xiang)對(dui)簡(jian)單(dan)，控(kong)製(zhi)精(jing)度(du)較(jiao)高(gao)而(er)備(bei)受(shou)矚(zhu)目(mu)。本(ben)文(wen)在(zai)經(jing)典(dian)控(kong)製(zhi)方(fang)法(fa)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，加(jia)入(ru)比(bi)例(li)因(yin)子(zi)自(zi)調(tiao)整(zheng)二(er)維(wei)模(mo)糊(hu)控(kong)製(zhi)器(qi)構(gou)成(cheng)一(yi)種(zhong)伺(si)服(fu)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)模(mo)型(xing)，通(tong)過(guo)編(bian)寫(xie)M文件的S函數來進行經典控製方法和模糊控製器之間的切換，仿真結果表明，光電跟蹤伺服係統的動態性能有很大改善。一、光電跟蹤伺服係統的數學模型　　光(guang)電(dian)跟(gen)蹤(zong)伺(si)服(fu)係(xi)統(tong)屬(shu)於(yu)雙(shuang)閉(bi)環(huan)單(dan)輸(shu)入(ru)單(dan)輸(shu)出(chu)位(wei)置(zhi)隨(sui)動(dong)係(xi)統(tong)，內(nei)環(huan)為(wei)速(su)度(du)環(huan)，外(wai)環(huan)為(wei)位(wei)置(zhi)環(huan)。本(ben)文(wen)針(zhen)對(dui)的(de)控(kong)製(zhi)對(dui)象(xiang)是(shi)光(guang)電(dian)跟(gen)蹤(zong)係(xi)統(tong)轉(zhuan)台(tai)，其(qi)傳(chuan)遞(di)函(han)數(shu)是(shi)：　　　速度環和位置環的控製器利用超前-滯後補償方法設計，閉環係統的主要組成環節可以參見參考文獻[2]，這裏不再詳述。二、模糊控製器設計　　控製係統工具箱（Control System Toolbox）是MATLAB軟件包中的專門針對控製係統工程設計的函數和工具的集合。該工具箱提供了豐富的算法程序以完成一般控製係統的設計、分析和建模　　SIMULINK是用來建模、分析和仿真各種動態係統的交互環境，通過SIMULINK提供的豐富功能塊，可以迅速地創建動態係統模型。模糊邏輯工具箱，利用基於模糊邏輯的係統設計工具，通過GUI，可以完成模糊控製推理係統設計的全過程，利用簡單的模糊規則對複雜的係統行為進行建模，然後將這些規則應用於模糊推理係統;S函數是SIMIULINK提供的一種功能強大的編程機製，通過S-function用戶可以實現用戶自己的算法。　　1、模糊控製輸入變量的設計和選擇　　係統中的模糊控製器采用雙輸入單輸出型控製器。輸入變量為偏差信號E和偏差變化率EC。輸出變量為控製量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主界麵命令窗口中鍵入FUZZY命令，將進入模糊控製器的圖形用戶界麵FIS編輯器，分別建立E、EC、U的隸屬度函數。這裏選用三角形（trimf）隸屬度函數。　　2、模糊控製規則的建立　　模糊控製規則有兩種方法：經驗歸納法和推理合成法，本文中采用的是經驗歸納法。　　模糊控製規則的建立遵循以下原則：　　當偏差為正向較大且偏差變化為正向較大時，控製量U的輸出應為正向較大; 　　當偏差為正向較小或零且誤差變化為正向較小或零時，控製量U的輸出應為正向較小或零; 　　當偏差為負向較小且誤差變化為較小時，控製量U的輸出應為負向較小; 　　當偏差為負向較大且偏差變化為負向較大時，控製量U的輸出應為負向較大。　　在FIS編輯器中設計模糊控製規則，如表一所示：表一光電跟蹤伺服係統的模糊控製規則表 Table.1 Fuzzy control rule table of opto-electronic tracking servo system 三、帶有二維模糊控製器的光電跟蹤伺服係統仿真模型簡介：　　如ru圖tu一yi所suo示shi，光guang電dian跟gen蹤zong伺si服fu係xi統tong是shi雙shuang環huan隨sui動dong係xi統tong，他ta由you速su度du環huan和he位wei置zhi環huan構gou成cheng，在zai位wei置zhi環huan上shang，模mo糊hu控kong製zhi器qi和he常chang規gui經jing典dian控kong製zhi器qi被bei設she計ji成cheng按an係xi統tong偏pian差cha大da小xiao進jin行xing分fen段duan控kong製zhi。圖一帶有自調整因子二維模糊控製器的光電跟蹤伺服係統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子係統如圖二所示，偏差E和EC是S-函數的兩個輸入，S-函數的輸出是比例因子Ke、Kec和Ku還有位置環常規控製器的輸入jd。　　應用S-函數ep11_he.m能實現兩種控製器之間的切換，切換點選取為0.1。當係統偏差絕對值大於切換點時，為模糊控製器工作，使係統偏差迅速減小;小於切換點時，Subsystem1子係統的jd端口輸出為e，常規控製器控製工作，保證係統控製精度[3]。ep11_he.m對模糊控製器的兩個輸入E和EC的比例因子Ke和Kec進行配置。由於比例因子Ke和Kec的取值對光電跟蹤伺服控製係統的動態性能影響很大。Ke選取較大，係統的超調量也較大，過渡過程較長，但上升時間變短;Kec的取值越大，係統超調量越小，但係統的響應速度變慢，同時，模糊控製器輸出比例因子Ku選擇過小將導致動態過程變長，過大又會使係統振蕩[4]。按照這一規律（經過仿真試驗驗證），在S-函數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聯係，使Ke和Kec隨著E和EC的變化而變化，當偏差較大時，Ke取較大值，係統上升時間變短，響應速度較快;當偏差較小時，Ke應為較小值，使係統超調下降;同樣，對於偏差變化可以使之與EC建立聯係，在係統響應的上升時間裏，保持較大值，以減小係統超調量;當EC較小時，Kec的值迅速減小，係統保持較快的響應速度。ep11_he.m中對於Ku的取值原則，在係統響應的上升狀態中，使Ku取較大的值，減小係統的動態過程時間;當係統E和EC比較小時，Ku取較小的值，避免係統振蕩。四、結果分析: 　　經過仿真，得到常規控製器階躍響應曲線（圖三）和帶有二維模糊控製控製器的光電跟蹤伺服係統（圖四、圖五）的階躍響應曲線如下：圖三　光電跟蹤伺服係統經典控製器的階躍響應曲線 Fig.3 step response of classic control of opto-electronic tracking servo system 圖四　帶有二維模糊控製器的光電跟蹤伺服係統階躍響應曲線 Fig.4 step response of opto-electronic tracking servo system with two-dimension fuzzy control 圖五帶有自調整因子二維模糊控製器光電跟蹤伺服係統的階躍響應曲線 Fig.5 step response of opto-electronic tracking servo system with self-tuning two-dimension fuzzy control 　　對比帶有自調整因子的二維模糊控製器光電跟蹤伺服係統（圖五）、經典控製器和一般二維模糊控製器的階躍響應曲線（如圖三，圖四）可以得出，自調整因子二維模糊控製器和經典控製器（它的超調較大、高於15%，調節時間以達到±5%為準大於0.4秒）和一般二維模糊控製器（它的超調為1.2%，調節時間以達到+-5%為準，約0.3秒）相比，它的超調量較小，為0.6%，調節時間以達到±5%為準，為0.04秒，仿真表明加入比例因子自調整二維模糊控製器的光電跟蹤伺服係統具有更好的動態性能。

狀　態：離線

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郵　　編：	510070
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