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(tái)擾動(dòng)抑制技術(shù)的研究
該文設(shè)計(jì)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(shí)與超前滯后控制方法進(jìn)行了仿真對(duì)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(duì)平臺(tái)擾動(dòng)的抑制效果優(yōu)于超前滯后控制方法。
PID;平臺(tái)擾動(dòng);模糊控制;自適應(yīng)
【作者簡(jiǎn)介】王世森(1986—)男，現(xiàn)為長(zhǎng)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(cè)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(duì)平臺(tái)擾動(dòng)的低頻部分進(jìn)行抑制;精跟蹤伺服單元對(duì)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(tái)擾動(dòng)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(duì)低頻擾動(dòng)進(jìn)行更有效的抑制對(duì)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(duì)主軸進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)模糊推理自動(dòng)在線進(jìn)行三個(gè)參數(shù)的調(diào)整。同時(shí)與超前滯后控制方法進(jìn)行了仿真對(duì)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(duì)平臺(tái)低頻擾動(dòng)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(tái)，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(guò)對(duì)光電編碼器信息進(jìn)行差分計(jì)算得到，由于差分運(yùn)算對(duì)噪聲敏感，因此在進(jìn)行差分前需進(jìn)行簡(jiǎn)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(bǔ)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(jì)
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(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同||，||對(duì)控制器參數(shù)要求，而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。
B.模糊PID控制器隸屬函數(shù)及規(guī)則
模糊語(yǔ)言變量||、||、的語(yǔ)言值分為{Z，PS，PM，PB}四個(gè)等級(jí);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?yàn)閇0,1e-4]、的論域?yàn)閇0,8000]、的論域?yàn)閇0,0.2]、的論域?yàn)閇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(tái)擾動(dòng)信號(hào)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(shí)
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(lì)信號(hào)，輸入信號(hào)的時(shí)域及頻譜圖如圖7所示。
圖7 激勵(lì)信號(hào)及頻譜圖
由圖7可見(jiàn)輸入信號(hào)的頻率在[0，5kHz]范圍內(nèi)，且各個(gè)頻率點(diǎn)功率相同。采用該信號(hào)分別對(duì)采用超前滯后控制法、模糊PID控制法的系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)辨識(shí)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(duì)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(duì)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(jì)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(duì)于本文采用模糊自適應(yīng)PID方法設(shè)計(jì)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(duì)誤差抑制的能力更強(qiáng)。
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(shí)間，更小的超調(diào)，更少的震蕩次數(shù)，更快的收斂速度。
C.對(duì)平臺(tái)擾動(dòng)抑制能力的仿真
設(shè)計(jì)了三種具有不同振動(dòng)特性的平臺(tái)擾動(dòng)信號(hào)，并分別對(duì)三種不同的平臺(tái)擾動(dòng)進(jìn)行仿真。平臺(tái)1振動(dòng)信號(hào)及其功率譜如圖所示，該平臺(tái)擾動(dòng)信號(hào)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(tái)2振動(dòng)信號(hào)及其功率譜如圖所示，相對(duì)于平臺(tái)1而言，其具有更高功率的低頻擾動(dòng)與較高功率的高頻擾動(dòng);平臺(tái)3振動(dòng)信號(hào)主要分布在[0，20Hz]的范圍內(nèi)，相對(duì)于平臺(tái)1，其具有較低功率的低頻擾動(dòng)分量，更高的高頻擾動(dòng)分量。分別經(jīng)過(guò)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(duì)于平臺(tái)1的擾動(dòng)，模糊自適應(yīng)PID將擾動(dòng)抑制在[-100dB， -200dB]范圍內(nèi)，超前滯后方法則將擾動(dòng)抑制在[-80dB， -150dB]范圍內(nèi)。對(duì)于平臺(tái)2的擾動(dòng)，模糊自適應(yīng)PID將擾動(dòng)抑制在[-80dB， -160dB]范圍內(nèi)，超前滯后方法則將擾動(dòng)抑制在[-65dB， -140dB]范圍內(nèi)。從時(shí)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(duì)于平臺(tái)3的擾動(dòng)，二者的頻譜較為接近，但超前滯后方法對(duì)擾動(dòng)的高頻具有很強(qiáng)的抑制，而模糊自適應(yīng)PID對(duì)擾動(dòng)的低頻部分抑制效果很好。
兩系統(tǒng)誤差的統(tǒng)計(jì)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(guò)直方圖對(duì)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(tái)擾動(dòng)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(yǔ)
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(duì)階躍響應(yīng)具有更快的收斂速度，對(duì)所設(shè)計(jì)的不同平臺(tái)擾動(dòng)的跟蹤誤差具有更集中的分布。
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