天线控制系统中P-Fuzzy-PI控制器的设计

2011-09-26刘会锋乔建江

无线电工程 2011年7期

刘会锋,乔建江

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

随着空间电子技术的飞速发展,地球同步卫星系统得到了广泛的应用,与此同时,国内外也都在大力发展极轨卫星系统,使卫星遥感技术服务于科学试验、地球资源探测、环境监测、海洋及气象情报和灾情探测等各种业务。在地面站设备中,对于遥感遥测、测控测角而言,天线控制系统都是重要的组成部分。

分析发现,天线控制系统中经典的 PID(比例、积分、微分)控制器存在相应速度慢和超调量大的缺点,为了改善系统的性能,提出和研究了P-Fuzzy-PI控制器。

1 天线控制系统分析与设计

天线控制系统主要由天线控制单元、天线驱动单元、轴角编码单元和安全保护单元等组成,系统组成框图如图1所示。

图1 天线控制系统组成

1.1 天线控制单元

天线控制单元(ACU)由数据采集卡、D/A(数字/模拟)转换卡、网卡、通用工业控制计算机和自己设计的电路板组成,天线控制软件安装于ACU内。

ACU是跟踪控制系统的核心部分,主要完成跟踪任务的自动化监测、数据处理,协调控制系统内的设备完成对目标的精确跟踪,完成天线的运动姿态控制以及各种控制策略的实时计算和实施,同时对各测量信息进行记录、分析和显示,向站控管理子系统上报设备状态和天线角度等信息。

1.2 天线驱动单元

天线驱动单元分为方位轴驱动单元、俯仰轴驱动单元和倾斜驱动单元3个部分,分别驱动天线的方位轴、俯仰轴和倾斜轴。

在高精度天线系统中,齿隙对系统的定位精度和系统的稳定性等指标有很大的影响,因此一般都采用不同的消隙措施,以保证系统的指标,双电机消隙是一种很好的方法。

双电机消隙的基本原理是用2个相同的电机通过各自的减速装置驱动同一个负载,通过力矩偏置和力矩均衡电路去控制电机的工作状态,在负载转矩较小时,2个电机输出方向相反的力矩。一个电机的工作状态为主动电动机状态,另一个电机的状态为被动制动状态,这2种状态随着负载力矩的方向变化而发生转变,并且这种变化是平滑连续的,这样就保证负载的低速运转平滑且无齿隙出现。随着负载力矩的增大被动状态的电机也变为主动状态,2个电机共同拖动负载。

1.3 轴角编码单元

轴角编码单元主要是将天线的角度位置量转换为数字量,采用旋转变压器、轴角转换器(RDC)组合电路方案,这种方案的优点是转换精度高,直接产生数字信号,使用方便,并且不易受到干扰,角度的精度根据实际要求选择。

试验中旋转变压器采用国产高精度套轴1∶32对极双通道旋转变压器,RDC采用14位编码器,经过双通道粗精结合得到17位精度的数据。

1.4 安全保护单元

安全保护单元由锁定机构和限位开关组成,安装在天线座上相应的位置。

在天线收藏后需要进行入锁操作,以保证在大风天气下天线不损坏。

限位开关用于限制天线的转动范围,当天线转到限位开关处时,限位开关发出限位信号,禁止天线转动,以保证天线的安全。

2 P-Fuzzy-PI控制器的设计

要提高基于模糊控制器的精度和跟踪性能,就必须对语言变量取更多的语言值,及分档越细性能越好,但同时带来的计算量也大大的增加,以至模糊控制规则表也难以把握,调试更加困难,或者不能满足实时控制的要求,解决这个矛盾的一个方法是在论域内用不同的控制方法分段实现控制。当偏差大于阀值时用比例控制器,以提高系统的响应速度,加快响应过程,当偏差小于阀值时切换转入模糊控制,以提高系统的阻尼性能,减小响应过程的超调量。这样就综合了比例控制和模糊控制的优点。在这种方法中,模糊控制的论域仅是整个论域的一部分,就相当于模糊控制论域被压缩,等效于语言变量的语言值及分档数增加,提高了灵敏度和控制精度。

然而由于模糊控制没有积分环节,对输入的控制是离散和有限的,而且控制曲面是阶梯型而非平滑的,因而最终必然存在稳态余差,及在平衡点附近出现小振幅的震荡现象。而PI控制在平衡点附近的小范围调节效果是较理想的,其积分作用可最终消除余差。

P-Fuzzy-PI控制器的结构如图2所示。

图2 P-Fuzzy-PI控制器结构

在系统中控制电压V和A/D转换值 a成线性关系,

所以把 V作为输入来讨论,V的误差e和误差的变化率e·作为模糊控制器的输入,所以以 V的值作为控制量来讨论,图2中 V为设定值;v为实际测量的电机反馈值,从图中可得:

模糊控制器的作用是根据e和e·来调节V的值,从而控制天线的转动,系统中V范围为[-5,5]。

2.1 P控制

P控制器算法公式为:

式中,kp=0.8。

当偏差的绝对值大于5°时用比例控制器,比例控制器得特点是响应速度快,可以加快系统的响应过程。

2.2 PI控制

PI控制器的开环传递函数[1]为:

式中,K(s)为传递函数;Ka为系统增益;T为采样周期;τ为时间常数期;ξ为阻尼系数。

通常在离散化的天线控制系统中采用增量式数字PI控制算法,所谓增量式PI是指数字调节器的输出只是控制量的增量,其表达为[2]:

式中,Kp为比例放大系数,Kp=0.1;Ts为采样周期,Ts=0.046s;Ti为积分时间常数,Ti=1.0;为当前增量输出为第k次偏差。

PI算法为二阶无静差体制,可以消除系统的静态误差,提高系统的跟踪精度[3]。

2.3 Fuzzy控制

隶属函数如图3所示。

图3 隶属函数图

图3中,当 -5≤e≤-1或1≤e≤5时采用Fuzzy控制,使用查表法进行天线控制系统模糊控制器的设计。由于模糊控制器的硬件结构采用工控机来实现,因此为了节约内存和运行时间,实际控制过程中不进行实时推理,而是离线计算出输入输出的对应关系,并以表格的形式存储在工控机的内存中,工控机根据实测输入值查询表格,得到相应的输出值[4]。选定 e的论域为:{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},e的语言值为 :{NB,NM,NS,N0,P0,PS,PM,PB};e·的论域为:{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},e·的语言值为:{NB,NS,0,PS,PB};选定 V论域为:{-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},语言值为:{NB,NM,NS,0,PS,PM,PB},隶属函数如图3所示。

3 仿真结果分析

基于Matlab仿真环境,对系统仿真得到系统的响应曲线图如图4所示。

图4 系统响应曲线图

从图形可以得出系统的上升时间为0.5 s,震荡次数为1次。最大超调为0.2°,静态误差为0,P-Fuzzy-PI控制器于常规的PID控制器相比,大大提高了系统的适应性和抗外部干扰及内部参数变化的鲁棒性,减小了超调,改善了动态性能。与简单模糊控制器相比,他减小了稳态误差,提高了平衡点的稳定性,验证了P-Fuzzy-PI控制器的正确性。