激光通信技術(shù)論文(2)
激光通信技術(shù)論文篇二
激光通信中平臺擾動抑制技術(shù)的研究
該文設(shè)計了模糊自適應(yīng)PID控制器，并應(yīng)用于復(fù)合軸粗跟蹤伺服單元，同時與超前滯后控制方法進(jìn)行了仿真對比。結(jié)果表明，在粗跟蹤伺服單元閉環(huán)帶寬、諧振峰值以及諧振頻率相近的前提下，采用模糊自適應(yīng)PID控制方法的粗跟蹤伺服單元對平臺擾動的抑制效果優(yōu)于超前滯后控制方法。
PID;平臺擾動;模糊控制;自適應(yīng)
【作者簡介】王世森(1986—)男，現(xiàn)為長春理工大學(xué)光學(xué)工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事光電測控技術(shù)與儀器方面的研究。
空間激光通信系統(tǒng)中，為了獲得高的跟蹤高精度而采用復(fù)合軸控制，其中粗跟蹤伺服單元完成捕獲與初步跟蹤，并對平臺擾動的低頻部分進(jìn)行抑制;精跟蹤伺服單元對粗跟蹤伺服單元的殘差進(jìn)行進(jìn)一步抑制，從而達(dá)到高精度跟蹤。研究表明，平臺擾動是影響跟蹤精度的主要因素之一。作為復(fù)合軸伺服系統(tǒng)的重要組成部分，如何對低頻擾動進(jìn)行更有效的抑制對于復(fù)合軸系統(tǒng)是至關(guān)重要的。
本文采用模糊自適應(yīng)PID對主軸進(jìn)行設(shè)計，通過模糊推理自動在線進(jìn)行三個參數(shù)的調(diào)整。同時與超前滯后控制方法進(jìn)行了仿真對比。結(jié)果表明，在粗跟蹤伺服單元閉環(huán)帶寬、諧振峰值以及諧振頻率相近的前提下，模糊自適應(yīng)PID對平臺低頻擾動的抑制效果優(yōu)于超前滯后控制方法。
1.粗跟蹤伺服單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
主軸執(zhí)行器采用二軸轉(zhuǎn)臺，俯仰軸與方位軸采用速度-位置雙閉環(huán)控制，位置環(huán)采用光電編碼器進(jìn)行位置反饋，速度信息通過對光電編碼器信息進(jìn)行差分計算得到，由于差分運算對噪聲敏感，因此在進(jìn)行差分前需進(jìn)行簡單濾波處理。單軸控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)速度環(huán)采用頻域特性法進(jìn)行補償控制，位置環(huán)采用模糊自適應(yīng)PID控制器進(jìn)行控制。未校正速度環(huán)的傳遞函數(shù)為：
2.模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計
A.模糊自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)
PID參數(shù)模糊自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由參數(shù)可調(diào)整PID和模糊控制系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上，以誤差||和誤差變化率||作為輸入，采用模糊推理方法對PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同||，||對控制器參數(shù)要求，而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。
B.模糊PID控制器隸屬函數(shù)及規(guī)則
模糊語言變量||、||、的語言值分為{Z，PS，PM，PB}四個等級;隸屬度函數(shù)采用相同的結(jié)構(gòu)形式,如圖3所示。 的論域范圍為[0,2e-4], 的論域為[0,1e-4]、的論域為[0,8000]、的論域為[0,0.2]、的論域為[0,60]。
模糊控制器的推理規(guī)則共有16條，的規(guī)則圖如圖4所示。
3.模糊自適應(yīng)PID控制方法的仿真
A.模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的組成
模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)仿真框圖主要分為等效正弦輸入、平臺擾動信號源、模糊自適應(yīng)PID控制器，主軸速度環(huán)開環(huán)模型。其中，模糊自適應(yīng)PID控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖6 模糊自適應(yīng)PID控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
B.模糊自適應(yīng)PID系統(tǒng)辨識
為了使兩系統(tǒng)具有可比性，盡可能使二者的閉環(huán)帶寬、諧振峰值、諧振頻率接近。采用單位脈沖響應(yīng)作為系統(tǒng)的激勵信號，輸入信號的時域及頻譜圖如圖7所示。
圖7 激勵信號及頻譜圖
由圖7可見輸入信號的頻率在[0，5kHz]范圍內(nèi)，且各個頻率點功率相同。采用該信號分別對采用超前滯后控制法、模糊PID控制法的系統(tǒng)進(jìn)行激勵，通過辨識后得到系統(tǒng)閉環(huán)幅頻特性響應(yīng)曲線如圖8所示。由圖8可知兩系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬接近，前者帶寬在152rad/s左右，后者帶寬略高于前者，約為172rad/s;二者的諧振峰值以及諧振峰值對應(yīng)的諧振頻率基本相同。
圖9為系統(tǒng)誤差傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)曲線對比圖。雖然二者帶寬較為接近，但是從誤差傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)曲線上可以看出二者的抑制帶寬具有很大的差距，采用模糊自適應(yīng)PID方法的粗跟蹤伺服單元，其抑制帶寬明顯高于采用超前滯后方法的。按照頻域特性法設(shè)計的系統(tǒng)，其誤差傳遞函數(shù)以及開環(huán)傳遞函數(shù)可以近似認(rèn)為是由一系列不同斜率的直線組成的，斜率變化處為轉(zhuǎn)折頻率。而對于本文采用模糊自適應(yīng)PID方法設(shè)計的系統(tǒng)，其誤差傳遞函數(shù)在低頻段為一變斜率曲線，斜率從低頻至高頻逐漸變大，正是由于斜率的變化，才使得采用模糊PID控制方法的粗跟蹤伺服單元的抑制帶寬要高，并且在誤差曲線諧振頻率以下，相同頻率處其對誤差抑制的能力更強。
圖8給出了傳統(tǒng)PID控制方法與模糊自適應(yīng)PID控制方法的階躍響應(yīng)。從階躍響應(yīng)可以看出，模糊自適應(yīng)PID有更短的上升時間，更小的超調(diào)，更少的震蕩次數(shù)，更快的收斂速度。
C.對平臺擾動抑制能力的仿真
設(shè)計了三種具有不同振動特性的平臺擾動信號，并分別對三種不同的平臺擾動進(jìn)行仿真。平臺1振動信號及其功率譜如圖所示，該平臺擾動信號以低頻分量為主，帶有一定的高頻分量，低頻分量主要分布在[0，1Hz];平臺2振動信號及其功率譜如圖所示，相對于平臺1而言，其具有更高功率的低頻擾動與較高功率的高頻擾動;平臺3振動信號主要分布在[0，20Hz]的范圍內(nèi)，相對于平臺1，其具有較低功率的低頻擾動分量，更高的高頻擾動分量。分別經(jīng)過采用超前滯后與模糊自適應(yīng)PID方法的粗跟蹤伺服單元的抑制后，系統(tǒng)誤差、功率譜分別如圖所示。
對于平臺1的擾動，模糊自適應(yīng)PID將擾動抑制在[-100dB， -200dB]范圍內(nèi)，超前滯后方法則將擾動抑制在[-80dB， -150dB]范圍內(nèi)。對于平臺2的擾動，模糊自適應(yīng)PID將擾動抑制在[-80dB， -160dB]范圍內(nèi)，超前滯后方法則將擾動抑制在[-65dB， -140dB]范圍內(nèi)。從時域圖上看，超前滯后方法的誤差中低頻分量峰值為1mrad，與模糊自適應(yīng)PID相差近10倍;對于平臺3的擾動，二者的頻譜較為接近，但超前滯后方法對擾動的高頻具有很強的抑制，而模糊自適應(yīng)PID對擾動的低頻部分抑制效果很好。
兩系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計直方圖分別如圖所示。圖中各圖橫坐標(biāo)范圍為[-5e-3，5e-3]。通過直方圖對比兩伺服單元跟蹤效果，可以看出采用模糊自適應(yīng)PID方法的粗跟蹤伺服單元，其誤差分布更為集中;但是隨著平臺擾動高頻成分的增加，兩系統(tǒng)誤差分布均逐漸分散。
4.結(jié)束語
在系統(tǒng)帶寬、閉環(huán)傳遞函數(shù)諧振峰值、諧振頻率接近的條件下，采用模糊自適應(yīng)PID控制方法的系統(tǒng)對階躍響應(yīng)具有更快的收斂速度，對所設(shè)計的不同平臺擾動的跟蹤誤差具有更集中的分布。
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