本发明专利技术公开了一种基于模糊决策的双轴光电转台复合控制系统和控制方法，控制系统包括综合数字滤波与估计单元、前馈控制单元、测量单元、切换开关、模糊决策单元、PID控制器和信号叠加单元。比较双轴光电转台的位置误差e与事先设定的误差阈值Kc，当e小于Kc时，则进入模糊调节，得到调节输出控制量ΔKp、ΔKi和ΔKd，进而得到PID控制调节参数Kp，Ki，Kd，再进行PID运算；否则直接采用事先设定的固定的调节参数进行PID运算，得到PID输出的控制信号。本发明专利技术有效减小了非线性、时变性和模型不确定性对双轴光电转台的精度影响，解决了PID控制器中的积分饱和及高频扰动，克服给定随机信号中随机噪声影响，确保系统能够长期连续稳定工作。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及双轴光电转台控制技术的改进，尤其是，属于双轴光电转台控制
技术介绍
双轴光电转台用于隔离外界扰动和对空中或地面移动物体进行实时稳定的光电跟踪。为了实现高精度的光电跟踪性能，除需要合理设计转台本身的机械结构外，还需要精心设计高性能的控制方法，并结合位置传感器、伺服驱动器和执行机构，共同形成能够控制双轴光电转台完成高精度伺服转动的闭环伺服控制系统。在目前的工程实际中，为提高系统的控制性能，PID控制规律是转台伺服系统中常用的控制方法。PID控制器的参数根据一般传统设计方法选取，控制器参数在整个调节过程中固定不变，系统能否在最佳状态下工作，主要取决于调节器各参数的设置是否得当。但是，当双轴光电转台要求具有高精度性能指标时，传统PID设计方法中可以忽略的一些关于被控对象的非线性、时变性、没有确切的模型等性质，将不能被忽略，并由此引起传统PID控制方法的过程参数调节困难、控制效果差等现象。控制界针对不同情况提出了自适应PID控制、广义预测PID、神经网络PID、模糊PID等改进PID控制器的方法。模糊控制可有效利用人类专家的控制经验，不依赖于被控对象的精确模型。模糊控制与PID控制器相结合可以实现高级的PID控制算法，改善系统性能。为了提高双轴光电转台闭环控制系统的精度，有效抑制系统噪声，一般通过提高开环增益或者增加积分环节以减小误差来提高跟踪精度，但同时也使得系统的稳定裕度减少。针对一般闭环转台伺服 系统普遍存在的跟踪精度与稳定性之间的矛盾，利用复合控制在原闭环控制系统的基础上，再增加一个开环的前馈支路，在提高跟踪精度的同时，又不影响原闭环系统的稳定性，可以较好的解决该矛盾。但是，由于在一般光电跟踪转台伺服系统中(例如激光、红外和电视等光电跟踪转台伺服系统)，光电传感器只能提供目标与光电传感器视轴之间的偏差，无法给出目标的空间坐标位置，无法给出目标的速度。同时，光电传感器输出的误差信号含有较大的随机噪声，闭环伺服系统无法靠传统的闭环调节方法来抑制此类噪声信号。为此，必须在给定误差信号的输入端通过加入滤波环节来降低或消除噪声。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的在于提供，本专利技术可以克服被控对象的非线性、时变性和模型不一致性等问题，消除PID控制器中微分环节的高频噪声和积分环节的超调问题，同时解决闭环伺服系统的稳定性和高精度间的矛盾，大大抑制系统输入端的随机噪声，使得本专利技术能够满足此类转台伺服系统的高跟踪精度需求。本专利技术实现上述目的的技术解决方案如下一种基于模糊决策的双轴光电转台复合控制系统，它包括如下单元；综合数字滤波与估计单元综合数字滤波与估计单元由惯性数字滤波单元和离散卡尔曼滤波与估计单元构成，惯性数字滤波单元用于将外部输入给本复合控制系统的给定随动信号中的高频噪声滤除，惯性数字滤波单元的输出接离散卡尔曼滤波与估计单元的输入，由离散卡尔曼滤波与估计单元滤除给定随动信号中每个时刻的随机噪声，得到给定随动信号对应时刻的位置估计值/Uj和速度估计值卩(幻；前馈控制单元用于将离散卡尔曼滤波与估计单元输出的速度估计值卩(幻通过前馈校正以得到前馈控制信号，并输入到信号叠加单元；测量单元用于采集双轴光电转台的实际位置信号，得到作为反馈信息的位置实际值I (k)，然后输入到计算单元；计算单元用于接收测量单元输出的位置实际值y(k)和离散卡尔曼滤波与估计单元输出的位置估计值〖(々).并计算两者的差值，该差值为双轴光电转台的位置误差e ;切换开关切换开关内设比较器，比较器用于比较双轴光电转台的位置误差e与事先设定的误差阈值Kc的大小；切换开关根据比较结果择一地连接模糊决策单元和PID控制器；模糊决策单元模糊决策单元由依次连接的模糊量化单元、模糊决策单元和反模糊化单元构成；模糊量化单元用于将位置误差e及位置误差e的误差变化率 进行模糊量化运算，以得到对应的模糊值E和Λ E ;模糊值E和Λ E输入给模糊决策单元，由模糊决策单元分别根据与ΛΚρ、AKi, Λ Kd对应的模糊规则进行模糊推理，得到与ΛΚρ、AKi,八1^对应的模糊调节输出量；反模糊化单元用于将模糊调节输出量进行反模糊化计算，得到精确的调节输出控制量ΛΚρ、AKi, AKd, ΛΚρ、八&和Λ Kd与前一时刻的PID控制的调节参数、Kf -1〗对应相加，即得到当前时刻的PID控制调节参数Kp，Ki, Kd,反模糊化单元将当前时刻的PID控制调节参数Kp，Ki, Kd输入到PID控制器；PID控制器由比例运算单元、微分运算单元和积分运算单元构成；比例运算单元、微分运算单元和积分运算单元的输出分别接信号叠加单元；信号叠加单元用于将PID控制器 输出的控制信号和前馈控制单元输出的控制信号叠加，得到最终的控制值u(k)并输出到双轴光电转台的输入端。一种基于模糊决策的双轴光电转台复合控制方法；其控制步骤为，I)首先由惯性数字滤波环节将外部输入的给定随动信号中的高频噪声滤除；2)由离散卡尔曼滤波与估计环节将第I)步处理后的给定随动信号中每个时刻的随机噪声滤除，并得到给定随动信号代表的对应时刻的位置估计值R幻和速度估计值&人；3)对位置估计值卩(幻与从双轴光电转台反馈过来作为被控量的位置实际值y(k)进行比较得到双轴光电转台的位置误差e ;4)比较双轴光电转台的位置误差e与事先设定的误差阈值Kc的大小，当e值小于Kc时，则进入第5)步；否则直接采用事先设定的固定的PID控制调节参数Kp、K1、Kd进行PID运算，PID运算包括比例运算、微分运算和积分运算；得到PID输出的控制信号，进入第8)步；5)分别将位置误差e及位置误差e的误差变化率 进行模糊量化，得到对应的模糊值E和Λ E ;6)模糊值E和Λ E再结合与调节量Λ Kp、AKi, Δ Kd对应的模糊规则进行模糊推理，分别得到与ΛΚρ、AKi, Λ Kd对应的模糊调节输出量；7)将模糊调节输出量进行反模糊化计算，得到精确的调节输出控制量ΛΚρ、AKi和Λ Kd，Δ Κρ、Λ Ki和Λ Kd与前一时刻的PID控制的调节参数^对应相加，即得到当前时刻的PID控制调节参数Kp，Ki, Kd，然后再进行PID运算，PID运算包括比例运算、微分运算和积分运算；得到PID输出控制信号，进入第8)步；8) PID运算后输出的控制信号和速度估计值/(A)通过前馈校正得到前馈控制信号进行叠加，即得到最终的双轴光电转台控制值u(k)弁到双轴光电转台的输入端，从而实现对双轴光电转台的控制。进一步地，所述第4)步和第7)步中通过积分运算得到的控制信号被送入抗积分饱和环节进行调节，一旦控制量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算；在计算u(k)时，将判断上一周期的控制量u (k-Ι)是否因超过限制范围而取边界值，当取上界时，积分控制仅将检测到的负值偏差累计到积分项中；当取下界时，积分控制仅将检测到的正值偏差累计到积分项中。所述第4)步和第7)步中微分运算的输出信号被送入低通滤波环节进行调节，对微分环节进行高频滤波；低通滤波采用二阶滤波形式，其连续时间域的传递函数如下式所不，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于模糊决策的双轴光电转台复合控制系统，其特征在于：它包括；综合数字滤波与估计单元：综合数字滤波与估计单元由惯性数字滤波单元和离散卡尔曼滤波与估计单元构成，惯性数字滤波单元用于将外部输入给本复合控制系统的给定随动信号中的高频噪声滤除，惯性数字滤波单元的输出接离散卡尔曼滤波与估计单元的输入，由离散卡尔曼滤波与估计单元滤除给定随动信号中每个时刻的随机噪声，得到给定随动信号对应时刻的位置估计值和速度估计值前馈控制单元：用于将离散卡尔曼滤波与估计单元输出的速度估计值通过前馈校正以得到前馈控制信号，并输入到信号叠加单元；测量单元：用于采集双轴光电转台的实际位置信号，得到作为反馈信息的位置实际值y(k)，然后输入到计算单元；计算单元：用于接收测量单元输出的位置实际值y(k)和离散卡尔曼滤波与估计单元输出的位置估计值并计算两者的差值，该差值为双轴光电转台的位置误差e；切换开关：切换开关内设比较器，比较器用于比较双轴光电转台的位置误差e与事先设定的误差阈值Kc的大小；切换开关根据比较结果择一地连接模糊决策单元和PID控制器；模糊决策单元：模糊决策单元由依次连接的模糊量化单元、模糊决策单元和反模糊化单元构成；模糊量化单元用于将位置误差e及位置误差e的误差变化率进行模糊量化运算，以得到对应的模糊值E和ΔE；模糊值E和ΔE输入给模糊决策单元，由模糊决策单元分别根据与ΔKp、ΔKi、ΔKd对应的模糊规则进行模糊推理，得到与ΔKp、ΔKi、ΔKd对应的模糊调节输出量；反模糊化单元用于将模糊调节输出量进行反模糊化计算，得到精确的调节输出控制量ΔKp、ΔKi、ΔKd，ΔKp、ΔKi和ΔKd与前一时刻的PID控制的调节参数对应相加，即得到当前时刻的PID控制调节参数Kp，Ki，Kd，反模糊化单元将当前时刻的PID控制调节参数Kp，Ki，Kd输入到PID控制器；PID控制器：由比例运算单元、微分运算单元和积分运算单元构成；比例运算单元、微分运算单元和积分运算单元的输出分别接信号叠加单元；信号叠加单元：用于将PID控制器输出的控制信号和前馈控制单元输出的控制信号叠 加，得到最终的控制值u(k)并输出到双轴光电转台的输入端。FDA00002665076300011.jpg,FDA00002665076300012.jpg,FDA00002665076300013.jpg,FDA00002665076300014.jpg,FDA00002665076300015.jpg,FDA00002665076300016.jpg,FDA00002665076300017.jpg,FDA00002665076300018.jpg...
【技术特征摘要】
1.一种基于模糊决策的双轴光电转台复合控制系统，其特征在于它包括； 综合数字滤波与估计单元综合数字滤波与估计单元由惯性数字滤波单元和离散卡尔曼滤波与估计单元构成，惯性数字滤波单元用于将外部输入给本复合控制系统的给定随动信号中的高频噪声滤除，惯性数字滤波单元的输出接离散卡尔曼滤波与估计单元的输入，由离散卡尔曼滤波与估计单元滤除给定随动信号中每个时刻的随机噪声，得到给定随动信号对应时刻的位置估计值/ μ)和速度估计值纟(幻； 前馈控制单元用于将离散卡尔曼滤波与估计单元输出的速度估计值/认；!通过前馈校正以得到前馈控制信号，并输入到信号叠加单元； 测量单元用于采集双轴光电转台的实际位置信号，得到作为反馈信息的位置实际值y(k)，然后输入到计算单元； 计算单元用于接收测量单元输出的位置实际值y(k)和离散卡尔曼滤波与估计单元输出的位置估计值印fc)，并计算两者的差值，该差值为双轴光电转台的位置误差e ； 切换开关切换开关内设比较器，比较器用于比较双轴光电转台的位置误差e与事先设定的误差阈值Kc的大小；切换开关根据比较结果择一地连接模糊决策单元和PID控制器； 模糊决策单元模糊决策单元由依次连接的模糊量化单元、模糊决策单元和反模糊化单元构成；模糊量化单元用于将位置误差e及位置误差e的误差变化率 进行模糊量化运算，以得到对应的模糊值E和ΛΕ ;模糊值E和△ E输入给模糊决策单元，由模糊决策单元分别根据与ΛΚρ、AKi, Λ Kd对应的模糊规则进行模糊推理，得到与ΛΚρ、AKi, Λ Kd对应的模糊调节输出量；反模糊化单元用于将模糊调节输出量进行反模糊化计算，得到精确的调节输出控制量ΛΚρ、AKi, AKd, ΛΚρ、AKjP Λ Kd与前一时刻的PID控制的调节参数[；| 对应相加，即得到当前时刻的PID控制调节参数Kp，Ki, Kd,反模糊化单元将当前时刻的PID控制调节参数Kp，Ki, Kd输入到PID控制器； PID控制器由比例运算单元、微分运算单元和积分运算单元构成；比例运算单元、微分运算单元和积分运算单元的输出分别接信号叠加单元； 信号叠加单元用于将PID控制器输出的控制信号和前馈控制单元输出的控制信号叠力口，得到最终的控制值u(k)并输出到双轴光电转台的输入端。2.根据权利要求1所述的基于模糊决策的双轴光电转台复合控制系统，其特征在于所述积分运算单元的输出通过抗积分饱和单元与信号叠加单元连接；所述微分运算单元的输出通过低通滤波单元与信号叠加单元连接。3.一种基于模糊决策的双轴光电转台复合控制方法；其特征在于其控制步骤为， O首先由惯性数字滤波环节将外部输入的给定随动信号中的高频噪声滤除； 2)由离散卡尔曼滤波与估计环节将第I)步处理后的给定随动信号中每个时刻的随机噪声滤除，并得到给定随动信号代表的对应时刻的位置估计值卩认)和速度估计值； 3)对位置估计值和t)与从双轴光电转台反馈过来作为被控量的位置实际值y(k)进行比较得到双轴光电转台的位置误差e ； 4)比较双轴光电转台...
【专利技术属性】
技术研发人员：王斌，魏贵玲，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第二十六研究所，
类型：发明
国别省市：
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