基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制系统。音圈促动器采用并行控制的方式，其中每一个音圈促动器的控制均采用基于位置环的闭环负反馈控制，且每个音圈促动器的控制器均采用查表式模糊PID控制算法，通过音圈促动器输出不同的位移使可变形镜面产生不同的形状以完成自适应光学的校正任务。对查表式模糊控制器的输入变量的离散方法进行了设计。本发明专利技术使用查表式模糊PID控制算法改善了音圈促动器的超调量、调节时间等动态性能指标，减少了音圈促动器之间结构耦合以及促动器内部线圈温升较大带来的影响，且多音圈促动器并行控制不会占用大量硬件计算资源。促动器并行控制不会占用大量硬件计算资源。促动器并行控制不会占用大量硬件计算资源。

【技术实现步骤摘要】
基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制系统


[0001]本专利技术涉及地基天文光学望远镜自适应变形镜的控制领域，具体涉及一种音圈自适应变形镜的控制系统。

技术介绍

[0002]自适应变形镜，又称自适应变形反射镜，是自适应光学(Adaptive Optics,AO)系统中重要的波前校正器，起着校正波前误差的作用，是AO系统的关键部件之一。自适应变形镜的发展进步对AO系统校正能力的提高起着重要的作用。
[0003]二十世纪下半叶，欧美率先进行了AO技术的研究，中国科学院光电技术研究所紧跟其后也较早地展开了AO技术的研究，并在天文光学观测、惯性约束聚变、生物医学等领域有了一系列的应用。国内自适应变形主要是基于压电材料驱动的，应用广泛且技术较为成熟，但其存在迟滞、驱动电压大、行程小等问题。音圈自适应变形镜因其具有响应快、无迟滞、行程大、精度高等优点已在Multiple Mirror Telescope(MMT)、Large Binocular Telescope(LBT)、Very Large Telescope(VLT)等望远镜中有实际应用。世界上未来在建的下一代大型地基望远镜如美国Giant Magellan Telescope(GMT)、欧洲Extremely Large Telescope(ELT)均采用这种音圈自适应变形镜
[0004]自适应变形镜用音圈促动器通常使用比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制。PID控制参数多依靠经验调试确定，存在修正效果不理想的问题，而且一般调试时间较长。音圈自适应变形镜镜面下有大量促动器，促动器之间存在结构耦合以及促动器线圈温升较大的问题，在控制过程中，促动器的特性参数会受到影响，PID控制参数存在无法保证一直合适的问题。对自适应变形镜镜面下的大量促动器进行控制，需编写庞大的控制程序，存在对控制器硬件的计算能力、内存等性能指标要求很高的问题。响应速度快是音圈变形镜控制的重要要求，因此多音圈促动器变形镜的控制算法应尽量简单。音圈自适应变形镜含大量促动器，存在集中控制的方法难以直接实施的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种可以实现PID控制参数自整定且对硬件计算能力要求不高的音圈自适应变形镜的控制系统，该系统采用PID控制器和模糊控制器相结合的控制策略，既解决了PID控制参数一经确定就不能改变，对非线性和时变系统控制效果不理想的难题，也弥补了模糊控制器控制精度不高的不足，最大限度地改善了音圈促动器系统的上升时间、超调量、调节时间等动态性能指标，同时也最大限度地减少了促动器之间结构耦合以及内部线圈温升较大带来的影响，通过利用MATLAB模糊控制工具箱离线计算并制定模糊控制查询表，减少了控制过程中的复杂计算，只需查表就可完成对音圈促动器PID控制参数的修正，而且多音圈促动器并行控制也不会占用大量硬件计算资源。
[0006]为实现本专利技术的目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制方法及其系统，包括音圈自适应变形镜、上位机、驱动器、电容式
传感器、控制器。
[0007]所述音圈自适应变形镜包括一个可变形镜面及镜面下六个在圆周上等间距排布的音圈促动器，音圈促动器动子与镜面通过胶水固连。所述上位机用于下发位置指令给各个音圈促动器。所述驱动器用于驱动音圈促动器动子运动并带动镜面产生形变。所述电容式传感器用于检测音圈促动器动子的位置，并将位置信息反馈给控制器。所述控制器用于接收上位机的位置指令，并根据电容式传感器反馈的位置信息，利用控制算法进行计算，输出控制信号给驱动器使音圈促动器进行动作。
[0008]进一步的，所述可变形镜面的变形机理为六个音圈促动器动子输出不同位移使镜面形状进行改变。
[0009]进一步的，所述一种基于查表式模糊PID的自适应变形镜的控制方法是对六个音圈促动器进行并行控制，其中每一个音圈促动器的控制均采用基于位置环的闭环负反馈控制。
[0010]进一步的，所述控制算法为模糊PID控制算法，即模糊控制器与PID控制器相结合，使用模糊控制器对PID控制器进行控制参数K
p
、K
i
、K
d
进行修正。
[0011]进一步的，所述PID控制器采用位置式数字PID算法。
[0012]进一步的，所述位置式PID算法由增量式PID算法间接得到，控制器输出u＝u
k
‑1+Δu
k
,u
k
‑1为当前控制量的上一次的控制量，Δu
k
为控制量的增量。Δu
k
由下面的表达式确定。
[0013][0014]式中，k
p
为比例系数；T
i
为积分时间常数；T
d
为微分时间常数，T为采样周期；e表示偏差，其下标表示不同时刻。
[0015]进一步的，所述模糊控制器的输入变量为音圈促动器的位置偏差e乘以量化因子K
e
和位置偏差变化率ec乘以量化因子K
ec
，输出变量为Δk
p
、Δk
i
、Δk
d
，相应的模糊变量(语言变量)为E、EC、ΔK
P
、ΔK
I
、ΔK
D
。模糊变量的模糊集合论域均为[
‑
6,6]，其语言值均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，NB表示负大、NM表示负中、NS表示负小、ZO表示零、PS表示正小、PM表示正中、PB正大。
[0016]进一步的，所述每一个语言值对应一个隶属度函数，语言值ZO采用三角形隶属度函数，语言值NM、NS、PS、PM采用高斯型隶属度函数，语言值NB采用Z型隶属度函数，语言值PB采用S状隶属度函数。输入输出模糊变量的相同语言值采用相同的隶属度函数。
[0017]进一步的，所述Z型函数的参数a取
‑
6，b取
‑
3，Z型函数的表达式如下：
[0018][0019]进一步的，所述S状隶属度函数的参数a取3，b取6，S状隶属度函数的表达式如下：
[0020][0021]进一步的，所述高斯型隶属度函数的表达式如下,在MATLAB中高斯型隶属度函数表示为gaussmf(x,[sig,c]),sig决定了函数曲线的宽度σ，c决定了函数的中心点。语言值NM的隶属度函数的参数sig取1，c取
‑
4。语言值NS的隶属度函数的参数sig取0.9，c取
‑
2。语言值PS的隶属度函数的参数sig取0.9，c取2。语言值PM的隶属度函数的参数sig取1，c取4。
[0022][0023]进一步的，所述三角形隶属度函数的表达式如下，所述表达式的参数a取
‑
2,b取0,c取2。
[0024][0025]进一步的，通过设计所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制系统，其特征在于：包括音圈自适应变形镜、上位机、驱动器、电容式传感器、控制器，所述音圈自适应变形镜包括一个可变形镜面及镜面下N个音圈促动器，音圈促动器包括音圈促动器动子和音圈促动器定子，音圈促动器动子与可变形镜面固连，所述上位机用于下发位置指令给各个音圈促动器，所述驱动器用于接收控制器发出的控制信号并驱动音圈促动器动子运动，N个音圈促动器动子输出不同位移使镜面形状进行改变，所述电容式传感器用于检测音圈促动器动子的位置信息，并将位置信息反馈给控制器，所述控制器用于接收上位机的位置指令，并根据电容式传感器反馈的位置信息，利用查表式模糊PID控制算法进行计算，输出控制信号给驱动器使音圈促动器进行动作。2.根据权利要求1所述的基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制系统，其特征在于：对所述N个音圈促动器采用并行控制的方式，其中每一个音圈促动器的控制均采用基于位置环的闭环负反馈控制，且每个音圈促动器的控制器均采用查表式模糊PID控制算法，PID控制器均采用位置式数字PID算法。3.根据权利要求2所述的基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制系统，其特征在于：所述位置式数字PID算法由增量式PID算法间接得到，控制器输出u＝u
k
‑1+Δu
k
,u
k
‑1为当前控制量的上一次的控制量，Δu
k
为控制量的增量；Δu
k
由下面的表达式确定，式中，k
p
为比例系数；T
i
为积分时间常数；T
D
为微分时间常数，T为采样周期；e表示偏差，其下标表示不同时刻。4.根据权利要求1所述的基于查表式模糊PID的音圈自适应变形镜的控制系统，其特征在于：所述查表式模糊PID控制算法是模糊控制器与PID控制器的结合，所述模糊控制器的输入变量为音圈促动器的位置偏差e乘以量化因子K
e
和位置偏差变化率ec乘以量化因子K
ec
，输出变量为Δk
p
、Δk
i
、Δk
d
，相应的模糊变量为E、EC、ΔK
P
、ΔK
I
、ΔK
D
，其语言值均为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，NB表示负大、NM表示负中、NS表示负小、ZO表示零、PS表示正小、PM表示正中、PB表示正大，每一个语言值对应一个隶属度函数，其中，语言值ZO采用三角形隶属度函数，语言值NM、NS、PS、PM采用高斯型隶属度函数，语言值NB采用Z型隶属度函数，语言值PB采用S状隶属度函数，输入输出模糊变量的相同语言值采用相同的隶属度函数；其中：所述Z型函数的表达式如下：所述S状隶属度函数的表达式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：左恒，乔伟康，李浩，王逸凡，崔自强，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：