智能控制在吊舱模拟装置中的应用研究（可编辑）

智能控制在吊舱模拟装置中的应用研究（可编辑） 智能控制在吊舱模拟装置中的应用研究 长春工业大学 硕士学位论文 智能控制在吊舱模拟装置中的应用研究 姓名:陈月岩 申请学位级别:硕士 专业:电力电子与电力传动 指导教师:张德江;谢慕君 20030301艮奋业大学.论业:智能拧制托吊舱模拟装置中的』、?用研究 摘 要 吊舱模拟装置中的主要设备是三轴转台。它是由以吊舱的几何 中心为旋转中心工作的个独立的位置随动系统横滚、方位、俯 仰构成。这三套系统的控制回路在硬件结构上和软件算法上基本 相同,只是个别参数不同。本文以其中的方位控制系统为主进行研 究,并根据系统的实际工作情况和性能指标要求,设计了~种基于 数字信号处理器的全数字直流伺服控制系统。 方位控制系统采用传统的速度内环,位置外环双闭环结构。本 文对内环采用了传统算法。由于三轴转台要求实现快速平稳,高跟 踪精度。对于位置外环,采用传统算法无法满足系统指标要求。通 过对该控制系统的分析以及参阅相关文献,最后采用经典控制理论 与现代控制技术相结合的方案,来解决方位控制系统的技术难点。 模糊控制不依赖控制对象的数学模型,占用机时短,直接用被 控对象的实时参数、观测判断其发展趋势的定性感觉来构成控制算 法。此算法对参数变化不灵敏,鲁棒性较好。但是普通的模糊控制 器相当于比例加微分控制,没有积分控制,故存在一个非零的稳态 误差,精度不高。为了克服普通模糊控制器算法的不足,在本文研 制的方位控制系统中,采用的是自调整量化因子比例因子的高精 度模糊控制器。同时为了进一步提高系统的控制精度,引入了前馈 控制,构成前馈控制开环控制和反馈控制闭环控制相结合的复 合控制系统。 实验结果表明,采用改进后的模糊控制算法对系统进行控制, 其跟踪精度明显高于传统的控制方法,同时也比一般的模糊控制精 度高。 关键词:方位控制系统、高跟踪精度、模糊控制、复合控制??????????.兰:: 些叁竺竺三堡兰塑堂丝型曼竺堡型茎墼主塑丝旦塞? . ,,, . . 略, 酉。:. .? .. . . ’ .. ,【 :.. ,: ’ 嗜. . . ,. ’’’ 】打 . ’. . .. . , 兰查、业叁堂塑二:笙兰塑韭竺型.曼些堕型鳖墼塑生旦婴塑??? ,. ?, .. , , : ,眷工业人学硕卜论文:智能拎制竹一舱模拟装置中的应用研究 第一章绪论 .课题来源及意义 本文的课题来源于中科院长春光机所研制的课题:吊舱测试系 统模拟装置。吊舱模拟装置是地面动态模拟实验系统的重要设备, 主要用来模拟飞机在空中的各种飞行姿态。吊舱在上飞机前要放在 模拟装置上面进行测试,模拟装置模拟载杌的机动飞行条件,从而 在地面对吊舱进行测试。 吊舱模拟装置采用三轴转台来模拟载机的机动飞行条件。转台 具有三维旋转自由度,通过对三维旋转自由度的运动加以控制,可 较好的实现对吊舱在飞行状态的姿态模拟,为吊舱稳定跟踪性能的考 核提供横滚、方位、俯仰的工作条件。三轴转台结构如图.所示。 图.三轴转台结构图 本文主要研究对转台的伺服控制,使转台按给定的输入信号运 动,实现对载机姿态模拟。.控制要求 三轴转台是由以吊舱的几何中心为旋转中心工作的个独立的 位置随动系统横滚、方位、俯构成。这三套系统的控制回路在硬 件结构上和软件算法上基本相同,只是个别参数不同。本文以其中的 方位控制系统为主,进行研究。方位控制系统主要技术指标如下: ?。 工作范围 保精度角速度.。/~。/ 最大角速度。/ 。/ 保精度角加速度 最大角加速度。/ 系统控制精度为 最大误差;春丁业火学坝』论史:智能控佑吊舱模拟黻置中 的心用吲究 第二章 吊舱模拟装置伺服控制系统构成 .系统总体原理方案 采用集散式总体控制机制,以上、下位机形成两级控制结 构,实现系统的分散直接控制和集中综合监控管理功能,其工作原 理如图.所示。 图.系统总体控制原理方案图 ..综合管理级上位机 上位机形成转台系统的集中监控、综合管理级,主要实现系统 在线综合管理、性能检测、安全保护及监控管理功能。在转台系统 运行过程中一二位机完成转台系统性能参数的图形显示、数据处理; 能给出频率、幅值可调的正弦波信号。..直接控制级下位机 位机是转台控制系统的直接控制级,构成方位、俯仰、横滚 三个独立的伺服控制回路。下位机完成伺服控制系统的数据采集与 处理、控制规律的实施。 .转台伺服控制系统原理方案 方位、俯仰、横滚三个通道的数字伺服控制系统,其原理结构 完全相同,如图.所示。 转台 上位训算机.?生, 士黑。,一一 功率放大器 转“?? 二十三位绝对式 ?????光电轴角编码器??一 图.转台方位数字伺服控制系统原理结构 系统采用了微机控制下的脉冲调宽功放装置,直流力矩 马达直接驱动转台框架的数字伺服调速方式。由高精度的测角元件 位绝对式编码器构成数字式角位置及速度反馈回路。采用数字信 号处理器作为该伺服系统的主控计算机下位机,能 够保证系统快速性能的实现,同时也能很好的完成系统控制规律的 形成。 .转台控制系统硬件组成 三轴转台控制系统由伺服控制器、功率驱动放大装置、接口电 路和测量装置等部分组成。 控制系统的作用是在:二位机的运动指令以及轨迹参数控制下, 以高分辨率光电编码器做测角及测速元件,构成速度位置双闭环全存工业人 学婀论文:智能控制相吊》模拟裂置中的腑用究 数字直流伺服控制系统,完成对三轴转台的精确控制。转台在运动 指令控制下,模拟飞机姿态运动,达到考核吊舱稳定跟踪性能的目 的。其原理框图如图.所示。 方位分系统 厂一堕堡堡卜 三 懈啦耻卦圈川僵 主 轴 下 控 网. 制 转 ?一 俯仰分系统 器 厶 口 ; ?一 横滚分系统 : : 图.三轴转台控制系统原理框图 系统由主控制器、驱动单元功放、测角测速单元以及通 讯单元等部分组成。主控制器由 实现,测角测速 主要由位绝对式光电轴角编码器来完成。控制器输出的调 宽波经功率放大器放大驱动直流力矩电机,从而带动转台转动,达 到给定位置。 ..主控制器介绍】 主控制器采用作为核心控制部件,其作用是将光 电编码器反馈回来的值与收取的给定值相比较,得瞳误差,同时算 出系统的速度和加速度,经控制算法运算,得出控制量,输出~宽 度可变的波。 随着微电子技术的发展,伺服系统所用的微处理器的性能不断 提高。适用于电动机控制的数字信号处器 的出现,使性能高结构简单的仝数字伺服系统成为可能。本文所用 的 是由德州仪器公司年推出的位定点数 字信号处理器。它的结构如图所示,主要由、片内和 、事件管理器、片内周边接口等部分组成。 数据 事件管理器 ?洲 字 个定时器 个比较单元程序/数据//总线 个输出 ? 死区控制器 ’ 外 个输入捕获 内核 设 位 正交编码脉冲 位乘位乘法器 总 位/口 个辅助寄存器 线 层硬件堆栈 刮看门狗定时器和 个状态寄存器 存储器映像寄存器 寓 移位寄存器 ?卜一个路位/转换器 图. 功能框图 一、内核 的具有位定点内核,采用 结构体系,即相互独立数据总线。体系采取串行结构,运用流水线 技术加快程序的运行,可在一个处理周期内完成乘法加法和移位计 算。指令集源码向上向下都兼容,具有良好的可移植性。运算能力 指令周期,具有独立的数据总线和地址总线,支持并行 的程序和操作数寻址,这种高速运算能力使许多复杂的控制算法得 以实现。 二、数字/端口模块 数字/端口模块采用了一种灵活的方法,以控制专用/和复 用/口引脚的功能,所有/和复用引脚的功能可通过个位 控制寄存器来设置,这些寄存器被分成三类: .输出控制寄存器一用来直接控制/脚或在内部执行芯片控 制功能。 .输入状态寄存器一用来监视/脚的状态或在内部监视芯片事 件或条件的状态 .数据和方向控制寄存器一用来控制数据到双向/弓脚的数 据的方向。这些寄存器直接和双向/引脚相联接。 三、事件管理器 事管理器提供了下列对电机运动控制非常有用的一系列功舂丁业人学埘’论 文:智能挫制舱模拟装置中的应用究 能。 .通用定时器:共有个位通用定时器、:、。,可用于 产生采样周期,作为比较单元产生输出以及软件定时的时基。 .比较单元与/输出:共有个全比较单元和个单 比较单元。每个全比较单元以。为时基,可输出路带可编程死区 的/信号。通过设置,为不同工作方式,可选择输出非对 称波、对称波或空间矢量波。 四、串行通信接口模块. 模块支持与其它使用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 格式的异步外设之间的数字 通信。接收器和发送器是双缓冲的,每一个都有它自己独立的 使能和中断标志位。两者都可以独立工作,或者在全双工的方式下 同时工作。为了确保数据的完整性,对接收到的数据进行间断 检测、奇偶性校验、超时和帧出错的检查。通过一个位的波特率 选择寄存器,数据传输的速度可以被编程为多种不同方式。 ..控制逻辑电路 控制逻辑用于实现对电机的换向、停转、限位等控制。该部分电 路由和构成。方向控制、停转控制、限位控制等控 制信号均来自数字/口,其中,方向控制为高电平信号有效,其 它控制信号为低电平信号有效。这些信号与信号经过控制逻 辑电路,送至前置驱动电路。 ..前置驱动电路‘ 要正常工作,其门极不能由电平直接驱动,必须加前 置驱动电路。的门极驱动电路对它的静态和动态特性有很大影 响。门极电路的正门源偏压。、负门源偏压.和门极电阻的大 小对的通态电压、开关时间、开关损耗、承受短路电压能 力以及/电流有不同程度的影响。的增加将使通态电压 。。下降,使开通时间缩短因而使开通损耗减小,但增加到一定第二章吊舱模 拟裂置系统构成 程度会使负载短路能力降低并使/电流增加,对电路产生不利 的影响。负门源偏压.;的增加对关断特性略有影响,但会使。。/ 电流减小,因此负偏压应稍大一些。门极电阻增加时会使的 开通和关断时间增加,进而使开通损耗和关断损耗增加,但如果门 极电阻过小,会使的漏源电流上升率增加,这又会使误 导通,同时电阻自身的损耗也会增加,因此,门极电阻应在开关损 耗不大的情况下,选用较大的电阻。 综合上述并结合实际应用条件,的驱动电路应满足以下要 求: .门极电路的正偏压应为,负偏压应为一~。 .门极电阻根据不同类型的选取不同的阻值。 在用于电机驱动等高压场合,驱动电路应与功率电路相 隔离,本系统中,驱动电路是由具有互锁功能的 模块和光 电隔离器构成的,实现对功率转换电路的驱动。其中, 内 部带有变压器,能起到隔离作用。 ..脉宽功率放大电路【 近年来,采用大功率晶体管构成的脉宽调吼伺服控制在 高精度伺服系统中应用越来越广。技术是指将直流电压转换成 某种频率的方波电压,加在直流电动机的电枢两端,通过对方波脉 冲宽度的控制,改变电枢的平均电压,从而达到调节电机转速的目 的。 功率放大器具有如下优点: .控制方式是采用工作在开关状态的晶体管放大器作为功 率输出级,电路中的晶体管只工作于两种状态一饱和导通和截止状 态,饱和导通时虽然电流很大,但管电压降很小,截止管电压降很 高,但漏电流很小,因此晶体管上的功率损耗主要发生在饱和和截 止的过渡过程中,而这些过渡过程的时间很短,因此可以使开关元 件的功率损耗很低,并且这个损耗在输出电压最高和最低时都是一 样的,这就大大降低了输出级的晶体管自身功耗,从而提高功率放备.业大学 碳上论文:智能控制赴吊舱模拟装置中的应用『究 大器的转换效率。 .晶体管的开关频率可选得很高~,仅靠电枢的滤波作 用就可以获得脉动很小的直流电流,电枢电流很容易连续,使低速 平稳,稳定。同时也减少了电机的发热量。 .同样由于开关频率高,若与小型快速响应的电机相配合,则系 统可以获得很宽的频带,因此系统的快速响应好,动态抗负载扰动 的能力强。。由于响应快无滞后和惯性,特别适合于可逆运行,适合 频繁起制动的高速定位控制和连续控制。 .功率放大器线性度高,它不会给控制系统带来附加影响。 若采用比例功率放大器,势必增加/变换器,因此采用的是单电 源桥式功率放大器,由四支绝缘栅双极晶体管组成。由 产生的信号控制的导通和截止。当输出的脉 冲宽度变化时,晶体管的导通和截止时间也随之相应变化,从而改 变了电机电枢两端的平均电压。其示意图如图.所示。 砭 ?? 州 丁 , 门丁 图. 脉宽调制不意图 图中: ,鲁,。。, 』 式中,矗鲁称为导通率。当丁不变频率固定,只要改变导通 』 时间,就可以改变电枢两端的平均电压,从而调节电机转速。 本系统的功率放大电路由四只绝缘栅双极晶体管 红成。新型复合式的功率器件 将单极型器件如功率和极型器件如的各自第二章吊舱模拟装置系统构成 优点集于一身,使其特性更加优越,具有输入阻抗高、工作速度快、 通态饱和电压低、阻断电压高、承受电流大等优点。 四个的门极分别受前置驱动电路的四个输出端控制,根 据电机旋转方向的要求,在某一个时刻某一对桥臂两个门极加控制 脉冲,为电机提供电流通路,使电机按一个方向旋转。经过长期使 用证明,该电路工作可靠。为满足系统驱动能力要求,功率电源供 电电压为,功率器件选用了一型号的。 ..执行电机 本系统力矩电机采用的是先进稀土电机,具有力矩大、体积小、 重量轻、响应速度快、不需要充磁等特点。其主要技术参数如下: 表一力矩电机主要技术参数 符号 单位 序号 参数名称 方位电机峰值堵转力矩 。 ‘峰值堵转电压 峰值堵转电流/ 空载转速 ..系统保护实现‘ 的发生电路可产生路具有可编程死区和可 变输出极性的信号一。当计数值与全比较单元 的比较单元值相同时,产生的状态匹配信号进入波形发生器。在该 系统中,我们使用对称波形发生器,由其产生的信号进 入死区发生单元,死区宽度由~.可调。产生的 脉冲信号,经控制。为了避免同一桥臂的两个功率器存丁业人学倾。论史: 智能控制“,吊舱模拟数置中的应用究 件发生直通,在其驱动电路中设置一个死区时间。芯片提供的 死区控制单元,可以使用户通过设置死区单元控制寄存器的内容来 设置死区时间。这种用软件实现延时的方法简化了硬件电路设计, 方便了用户。 转台的功率驱动与控制逻辑电路原理图如图.所示。 ..测量装置 本系统采用位绝对式光电轴角编码器完成方位的实时测量。 绝对式光电编码器与增量式光电编码器相比较,具有固定零点,输 出代码是轴角的单值函数,抗干扰能力强,断电后再工作不用重新 标定等优点‘。其主要技术指标为: 位数: 位 分辨率:. ? 精度: 输出形式: 并行位自然二进制代码,电平 采样频率: 编码器数据处理系统以并行方式将编码值锁存到中, 伺服系统以并行方式读入数据。 .本章小结 本章详细介绍了转台伺服系统的硬件组成、结构和工作原理。第二章吊舱模 拟装置系统构成 图.转台的功率驱动与控制逻辑电路原理图存工业人学坝』.论文:智能拧制 礼:吊舱模拟装置中的腑用酬究 第三章控制原理及算法 .引言 本文研究的方位控制系统采用传统的速度内环,位置外环双闭 环结构。控制器采用,位置及速度的检测均由绝对式 编码器完成。故控制系统属于全数字化位置伺服系统。本系统的控 制要求为最大角速度。/、最大角加速度。/。在如此快速系统 中,如何实现快速平稳,高跟踪精度是要解决的技术难点之一。系 统的硬件结构己确定,只能从软件控制算法上采取措施,达到上述 指标要求。 本文对内环采用了传统算法。加微分负反馈环节进行并联校正, 来抑制振荡减少超调,提高系统的快速性。对位置环首先采用了经 典控制算法,结果系统不能满足指标要求。通过对该控制系统的分 析以及参阅相关文献【】,最后采用经典控制理论与现代控制技术 相结合的方案,来解决方位控制系统的技术难点。 经典控制理论中复合控制是一种提高系统动、静态品质的有效 手段。它利用系统输入信号的导数进行前馈控制,构成前馈控制和 反馈控制相结合的系统。增加前馈控制通道,从理论上说不影响原 系统的稳定性,但却可以在不增大开环增益的情况下,等效提高系 统无差度,大大提高系统的动态跟踪精度。 。但由于模糊控 在现代控制理论中,有诸多控制方法可选用 制不依赖控制对象的数学模型,它的软件指令少,占用机时短,它 直接用被控对象的测量数据、观测判断其发展趋势的定性感觉来构 成控制算法。此算法对参数变化不灵敏,鲁棒性较好,所以在实际 应用中越来越受到人们重视。对于普通的模糊控制器而言,它相当 于比例加微分控制,没有积分控制,故存在一个非零的稳态误差。 这是普通模糊控制其精度不高的根本原因。为了克服普通模糊控制 器算法的不足,在本文研制的方位控制系统中,采用了改进的模糊 控制算法。.经典控制算法尝试 ..系统内环速度环的数学模型 在随动系统中,经常采用被调量的微分负反馈来抑制振荡减少 超调,提高系统的快速性。在此位置的微分是转速,因此采用转速 环作为系统的内环,并采用转速负反馈构成并联校正。 所有的数字随动系统中,都必须有/,/转换器或相当于 /,/转换器功能的转换装置。 在该系统中,起/作用的是数字脉宽调制装置。它把经数字 校正及放大的数字输出量化为脉宽可调的方波电压,并保持一个采 样周期,因此它相当于一个零阶保持器,其传递函数为: /:芝 在该系统中,起转换器作用的是数字测速装置。数字测速 的基本原理是数值微分: ? :一 式中:占是由编码器获得的角度信息,该式化为差分方程的形式如下: . ,:盟掣 』 式中:,为当前采样时刻,大于零的整数 疋为采样周期 由上式可知,数字测速实质上是取两次采样的平均速度,因此 可等效为一个纯延迟环节。用表示纯延迟时间,得数字测速/ 的传递函数为: 』/。, ? 数字计算机的传递函数特性也可等效为一个纯延迟环节,其传 递函数为: 一一奋业大学颂’论文:智能拎制托吊舱模拟装茸中的艇?研究 式中:巧为计算机的计算延迟时间 综上所述,数字计算机及转换装置的传递函数: 。/??/ ~.一瓦 在实际系统中,通过对计算机程序的编排,可以使计算机及转 换装置的特性等效为一个纯延迟环节,即 : 则方位控制系统动态结构图如图.所示: 鱼一.磊磊:。?磊?一,?。?% 一一,?。一~ 一??一‘一 一?????????一 图.方位控制系统动态结构图 图中:’。为计算机及转换装置等效传递函数 。为功率放大倍数 ,为伺服电机反电动势 口 为速度反馈系数 本系统增加速度环的作用: 减小系统固有部分的惯性,提高系统的快速性; 削弱被转速反馈包围部分参数变化及非线性影响,提高 系统刚度,扩展调速范围。 在实际系统中,通过对速度回路阶跃响应曲线的分析和理论上 的计算,可以将系统内环的传递函数近似为: 排志..位置控制器设计 任何一个控制系统的主要性能不外乎超调小、响应快,精度高。 方位控制系统也不例外,要求没有明显的超调和震荡,系统的保精 度角加速度要求。/,可见对快速性要求也很高。该方位控制系 统位置回路动态结构图简化如图.所示。 』??币磊计?焉一 ???,,.,,?一一,,???????、??????:.。....:.?,?,????.....一 图.位置回路动态结构图 根据调节器的 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 设计方法,针对上述的控制对象可以把该系 统设计成典型型或典型型系统。一般的说,典型型系统在动 态跟随性能上超调量要比典型型系统小,其上升时间要比典型 型系统长。从上升时间这项指标要求看,典型型系统无法满足该 系统的要求,根据系统要求的稳态精度,应该把位置环校正成典型 型系统。选用传统的控制器作为串联校正装置。 设调节器传递函数 型,则加入串联调节器后, 即系统预期的开环传递函数: ?:足型。』:篓竺: 。 嚣 ‘ 这样的型系统是条件稳定系统。在大偏差时,由于功放级饱 和导致系统等效增益下降,会使系统的动特性变坏,甚至失去稳定, 精心调整增益分配可以保证系统的大范围稳定,但实际超调往往很 大。 与一些现代控制方法相比。古典方法具有设计简单,实现容易 的优点。但令设计者感到困惑的是无法解决动特性与稳态精度间的 矛盾。事实上,工程控制的理论与实际都已说明,难以找到一种方 法适用于所有对象,针对某一对象的控制方法也难以使该对象的所奋业人学 坝卜论义:智能控制谯吊舱模拟裟胃中的应用究 有指标达到最优。为此,吸收古典方法的成功经验,组合简单的控 制规律实现高品质的控制,是件很有实际意义的工作。在这方面智 能控制为我们提供了强有力的手段。我们需要设计的智能控制器, 必须克服一些控制理论靠单纯的数学解析结构难以处理对象不确定 性的弱点。在本系统中,通过比较和分析,最终采用了模糊控制算 法。 .模糊控制原理及算法 ..模糊数学概念的简介 “”一词译成中文是“模糊”的意思,具有“不分明的” 或“边界不清的”含义。模糊数学的出现把数学从明晰领域扩大到 模糊领域。 我们知道传统数学是扬弃了偶然性和模糊性得以发展起来的, 用传统数学解决实际问题必须依赖于对问题精确的描述,这就大大 限制了数学的应用。随后,概率论的出现揭示、描述了自然世界中 客观的不确定性或偶然性,但仍不能处理存在于人的主观世界中的 概念模糊性。所谓模糊性,主要指客观事物彼此间的差异在其中间 过渡的不分明性。比如说,大与小、快与慢、冷与热等,都很难用 精确的数学语言划分出一条截然分明的界线。这些概念反映了人的 认识的主观性,具有含义上的不明确性或模糊性,因此称这类概念 为模糊概念。 从集合论的观点看,人的模糊概念实际是一个内含明确外延模 糊的集合。模糊数学就是处理这种内含明确外延模糊的集合的数学 工具。美国科学家..提出用隶属函数的方法描述这种集合, 并称之为模糊集。图.是表述“中速”这一模糊概念模糊集的 隶属函数曲线,图.则是“在每秒一转~每秒二转之间的速度” 这一概念普通集合的隶属函数曲线。从图中可以看到,模糊集合在 转/秒和转/秒左右具有圆滑的隶属函数曲线,表现对“中速”这一 概念的圆滑过渡。图.中速 模糊概念不能用普通集合来描述,这是因为不能绝对把它们区 别为“属于”或“不属于”,而只能问“属于的程度有多少”也 就是论域上的元素符合每个特定的概念的程度不是绝对的“”和 “”,而是介于“”和“”之问的一个实数。因此,在描述一个 模糊集合时,应在普通集合的基础上把特征函数的取值范围从集合 ,扩大,闭区间上连续取值。为了将模糊集合与普通集 合加以区别,我们把模糊集合的特征函数称为“隶属函数”,可以 记作‖。,其中为任意模糊集,‖。表示函数属于模糊集合爿 的“程度”,可以在【,闭区间连续取值,很适合于用来表示某个 元素隶属于某一模糊集合的各种模糊状态。 ..模糊控制器的实现 一、 模糊控制器的基本结构和组成【】【 :,???知识库一??? 【 ?? , 参考输生一上 卜 卜 清晰化 二一控制对象 一 模糊化?一模糊推理叫叫 一?土一??土 模糊控制器 图.模糊逻辑控制系统基本构成春二:业人学顺二.论文:智能控制在吊舱模 拟装置中的应用研究 模糊控制器主要由以下四部分组成。 .模糊化 这部分的作用是将输入的精确量转换成模糊量。首先,对输入 量进行处理以变成模糊控制器要求的输入量;其次,将已处理过的 输入量进行尺度变换,使其变换到各自的论域范围;最后,将已经 变换到论域范围的输入量进行模糊处理,使原先精确的输入量变成 模糊量,并用相应的模糊集合表示。 .知识库 知识库中包括了具体应用领域中的知识和要求的控制标。 它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库主要包括各 语言变量的隶属函数,尺度变换因子以及模糊空间的分级数等;规 则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了控 制专家的经验和知识。 .模糊推理 模糊推理是模糊控制器的核心,它具有人的基于模糊概念的推 理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进 行的。 .清晰化 清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量模糊量变换为实际 用于控制的清晰量。首先将模糊的控制量经清晰化变换成表示在论 域范围内的清晰量;然后将表示在论域范围内的清晰量经尺度变换 成实际的控制量。 二、控制系统模糊控制器的实现【【 方位控制系统的结构图如下: ~.模糊 一 。一 一 % ? “制 , :控制 一畅 .一。 模糊判决 被控刘象 剖规则 ?一曲 , ? 叫叵。 一一。? 一一化 一? ,一广模 一一糊 清 晰 化 图.方位控制系统框图 . 一叮一图中:口,为系统输入变量 。为系统输出变量 一。为系统误差 .选定控制器的语言变量,,。在该系统中,系统位 置误差及位置误差的变化率经模糊化得到模糊量和,调用 模糊规则推理分析得到系统的模糊控制量。各语言变量相应的模 糊子集为,,”根据系统要求我们将语言变量都分为档,其 ~ ~ ~ 论域化分为个等级,即 ,一,一,一,~? ,,,, 模糊子集的个语言取值为,,,,,,。它们分 别表示“负大”、“负中”、“负小”、“零”、“正小”、“正中”、“正 大”。语言变量在其论域中取个语言值,在各模糊量中的取值是隶 属度函数,不同的隶属度函数取值的模糊集将导致不同的控制效果。 语言值在各个模糊量的取值越高,表示该语言值越接近于该模糊量。 表.,表?,表.分别为语言量,,的赋值表。 表语言变量赋值表 ? 叫 一 ? ? ? 一 弋、 署言茁、\ . . . , . . . . . . , 冱... . . . . . .垦堂三、业查兰塑:堡兰塑型型堡曼竺堡型鳖墨皇皇生旦盟壅 表语言变量赋值表 、 一?、\枣属度\ 稚齿 .. . . . . . . . . . . , 口 表语言变量赋值表? 一 ? ? 、 .掣\ 语言值?\?、. . . . . .. . . . ... . . . 、 。用一组语句总结控制策略,可得一系列控制规则,对双输入单 输出控制器,由每条控制规则可得一个三元模糊关系。 /×% 式中:。模糊关系矩阵 ×,笛式积算符 巨,盯,,%,模糊控制器语言变量模糊子集 系统总的控制规则对应的模糊关系矩阵为: ,? 第三乖拄竹朦理发算法 模糊控制规则形成要根据理论分析,专家经验,工程知识以及在 实践中的调整。 表方位系统模糊控制规则总表 丝滕 巫.确定数模糊化 系统采用误差和误差变化率作为模糊控制器的输入,它们一 般不是论域中元素需进行论域变换。经量化因子变换后的。,再 采用单点模糊化方法进行模糊化,得输入量的模糊集。,’。 .根据模糊推理合成规则,求出语言变量论域上的集合 ’。 ’。 ’ 一 式中:’,,’,模糊控制器当前输入语言变量和输出语言变 量模糊集 。,模糊矩阵合成运算符 .采用加权平均法得系统控制量。。 ‘?‖?。?。/?‖『‘ 式中:‖‘是模糊集合。的隶属度函数 最后,对’取整,乘以比例因子。,得出系统精确控制量“, 加到被控对象上。 方位控制系统查询表如下: 奋业大学硕。论文:智能控制在吊舱模拟裟置中的应用 表.方位控制系统查询表一 ? ? ? ?辩 ? 一 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 一 ? 一 ? ? ? 一? 一 】 一 ? 一 ? ? ? 一? ? ? ? ? ? 一 ? 一 ? ? ? ? ? ?? ? ? 一? ? ? ? 一 ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ? ? 上述是模糊控制算法的一个基本设计方法,在实际过程中往往 需要做一些改进,才能提高控制精度和稳定性。 .改进的模糊控制算法 普通模糊控制器虽然能基本满足方位控制系统的要求。但对于 普通模糊控制器来说,其实质相当于控制,缺少积分控制,其 控制精度受到一定影响。当然,改变控制规则可以取得不同的控制 效果,但由于控制规则的改变,要求重新计算模糊关系,并基于新 的模糊关系再进行模糊推理,从而占用很长机时,影响快速性。本 文把一种通过改变量化曲线形状来实现等效调整控制规则的模糊控 制方法,应用在该方位控制系统的设计中,从而使改进的系统较原 系统提高了控制精度。本文在这种方法应用的基础上,详细地分析 了这种方法能提高控制精度的理论依据。 ..自调整量化因子比例因子的模糊控制器 、量化的概念 在实际的控制系统中,误差及其变化率一般不是论域中元素,需迸行论域变 换。设语言变量的基本论域为一。。, 所取的模糊集合为爿卜一,一”,?川一,一,”,其中为代表语言 变量大小的精确量,一为将~范围内连续变化的语言变量离散化 量化后分成的档数,它构成论域的元素。量化曲线】,:,?就 是指语言变量在其基本论域一一%内的精确量和其论域 元素.雄间的函数关系曲线。 二、两种量化方法的比较 在普通的模糊控制中,通常采用线性量化方法,通过量化因子进 行论域变换。量化因子定义为: 。:旦 。 % 如图.所示,一旦量化因子选定之后,语言变量的任何值总可 以量化为论域爿上的某~个元素。线性量化的特点是简单明了,在 整个基本论域内量化等级相同。如果设语言变量为控制系统的误差, 则线性量化不能体现系统在大误差和小误差时应采取不同的控制规 则。 在本文的方位控制系统中,模糊控制器采用了非线性量化方法。 如图.所示。 ‘已 ,【 卅 卅 一 / // / / /『 / ?。才一?一 / 一一/ ?“ 图.线性量化图 图.非线性量化倒 在靠近基本论域边界?%处?值较大,反之在靠近论域中零元 素处?值较小。同样,取语言变量为控制系统误差,则非线性量化 模糊控制器在误差较大时对被控过程进行粗调,而在误差较小时进 行细调,体现了操作者手动控制的思维特点,既能防止出现过调, 又能保证要求的控制精度。 改变量化曲线形状之所以能改变模糊控制器的控制精度,其原 因在于改变量化曲线形状等同于改变模糊控制器的控制规则,在基 本论域相同,基本论域的量化等级相同时,采用不同的量化方法,存业人学坝 论文:智能挣制花吊舱模拟装置中的脚用州究 则改变了基本论域内同一个精确值对应的论域元素,从而也改变了 论域元素对模糊子集的隶属度和隶属关系。在图.中,线性量化 %时,对应”,在图.中,它隶属于模糊子集或,其隶 属度为.。在图.中,非线性量化时,矗对应一,它隶属于 模糊子集或户,隶属度为.。 图.隶属函数图 根据模糊推理: 出口。 式中:,输入语言变量论域上的模糊子集 为输出语言变量论域上的模糊子集 尺为模糊关系矩阵 在模糊关系矩阵不变的情况下,改变模糊控制器输入语言变 量论域上的模糊子集,则输出模糊子集也将改变。 参阅表.,与。对应的论域元素,线性量化时/,非线性量化 时:,从表中可看出,线性量化时对应的输出控制量要小于非线 性量化时对应的输出控制量。与。对应的论域元素,线性量化时 肝:,非线性量化时”,线性量化时已没有控制作用或作用很小, 而非线性量化则还有一定的控制作用。这充分体现了在小误差范围 内非线性量化的优点,有利于提高系统的控制精度。 综上,在控制规则不变模糊关系矩阵不变,模糊推理方法不 变,以及查询表不变的情况下,采用不同的量化方式,对于模糊控 制器来说,输入语言变量的同一个精确量将对应不同的输出语言变 量,进而也对应不同的控制作用。这说明改变量化曲线形状实质上等效于模 糊控制规则的自调整。这种改进方法对提高系统的控制精 度,以及改善系统的动态、稳态性能是很有效的。同时,该方法用 软件实现起来简单、思路明确,调试方便,可以根据实际情况用计 算机进行调整。这对提高采用模糊控制器系统的控制质量有一定的 意义。图.具体给出了控制系统的原理框图。 图.控制系统原理框图 三、量化因子对系统性能的影响 实验表明,量化因子比例因子的大小对系统性能影响如下。 .尼大时,系统超调量也大;足。小时,降低了误差控制的灵敏 度,将引起较大的稳态误差。 .疋。大将导致上升时间增加,可使超调量减小;。。小将使系 统响应性能变差,超调量增大。 .小将导致上升时间增加,即被控过程的响应特性迟缓;, 大易使系统振荡。 由于量化因子的有限选择,一组恒定不变的量化因子难以保证 被控过程的全过程都处于最佳控制状态,故一般采用几组量化因 子。在该系统中,采用的非线性量化方法也正体现了这一点。 ..高精度模糊控制器【 .基本思路 一种在普通型模糊控制器基础上更好的模拟人的操作经验来改 善控制性能高精度模糊控制器的基本设计思想是: 首先,将语言变量偏差与偏差变化率的量测值由各自的模 糊子集赋值表量化出相应的等级与,即 ? . ? 足.长春业人学顺二论文:智能控制在吊舱模拟裂最中的应用研究 其次,由查询表找出与对应的模糊控制器输出的量化等 级?,于是得出与对应的控制作用“为 “。 其中印,硎与。分别为偏差、偏差变化率与控制作用的 量化因子;符号.代表对,的取整运算,这种取整会带来 ?始印与始删的误差,尤其当印与髟枷选择较小时,信息量 丢失就会更多。 设,和“的论域均为【,】,以及。纠/.,则 在,,,的判断基础上,为提高控制精度进一步再做判断,可求得 。。一. ? 足?日. 由”和查询表得相应的,根据,计算控制作 用“的修正量?“为 。 于是,与量测值。,。。对应的经过一次修正的高精度模糊控制 器输出“应是 ““?”。。】 .;代表岛。。整数部分对应 上式中,们./ 的控制作用量化等级:代表印,枷刮、数部分,亦即设计普 通型模糊控制器时可能丢失的信息,对应的用以修正控制作用的量 化等级;。与训的作用是使丢失信息在?级再作分配。 以上所述是经过一次修正得到的一阶高精度模糊控制,系统方 框图如图.所示。根据对控制精度要求,还可以进行次, 次,?,次的多次修正,从而取得相应的阶,阶,?,阶高 精度模糊控制器。 图.含高精度模糊控制器的系统方框图.性能分析 高精度控制器在性能上相对于普通型模糊控制器有如下三方面 优点: 能准确地执行控制规则。普通型模糊控制器的查询表只是在 不连续的量化等级上准确反映控制规则,对于那些不恰好取此等量 化等级的情况,它只能做近似处理,因而势必带来误差。高精度模 糊控制器能按同一张查询表对此误差加以修正,而且这种修正可以 反复多次进行,当修正次数趋于无穷时,误差可以完全消失,最精 确地执行控制规则。如果人的操作是有效的,基于总结人的操作经 验而得到的控制规则是合理的,则高精度模糊控制器就可无限的逼 近人的操作,从而得到较好的控制效果。 理论上可以完全消除稳态误差。当,均为零级,即:, .:时,普通模糊控制器的输出亦为零级,即.。这种情况下 稳态误差不可避免,其最大值为./。。同时,由于稳态误差的存 在,在干扰作用下往往还会产生自振荡现象。 对于高精度模糊控制器来说,当。。时,:,:不 为零,从而,亦不为零,此时控制器的输出为: “。 致使模糊控制器继续处于控制状态,通过修正来减少误差,使 一阶高精度模糊控制器的最大稳态误差降至./。×。。当 创:/.:时,其稳态误差./是普通型模糊控制器的/。 可以证明,阶高精度模糊控制器的最大稳态误差等于./。。 可见,只要修正次数取的足够多,从理论上完全可以消除稳态误差。 能提高反应信息变化的灵敏度。当信息。。,。。在量化等 级的?.范围内变化时,普通型模糊控制器无输出,这就势必会影 响控制性能。当。,。。值选得较小时,由于量化等级间所包含的信 息量增多,这个问题显得尤为突出,丽高精度模糊控制器就能解决 这一类问题。 ..开关式双模模糊控制器 前述几种改进方法使模糊控制器无论在响应速度上,还是在稳态春工业人学 颂卜论文:智能控制在吊舱模拟皱簧中的应用研究 要高一~‘些,反应快一些,能以最快的速度达到预定位置。这样一来, 仅靠模糊控制器本身参数的调整不仅复杂而且不方便,曾尝试过改 变某些参数来提高快速性,但结果总是不很理想,而且还影响了稳 定性。因此,考虑了用开关式双模控制器来实现。 现在我们来分析一下被控对象??力矩电机的响应曲线。如图 .所示。 图. 转速增长规律 从图中我们知道,电机的转速不是突变的,它的增长需要一个 过程,这个过渡过程的快慢主要与机电时间常数有关,本系统方 位力矩电机.。因此,当选定电机后,它的响应过渡过程也 就确定了。 图.不同“下的转速特性 从力矩电机特性可知,电机转速与电机两端所加电压成正比。 电压越高,达到同样转速所需时间越短。因此,为保证快速性,我 们希望电机开始时全速起动,以保证要求的快速响应。图.给出 了所加电压“的不同转速增长曲线。从图中可知,当所加电压“大时, 快速性最好,起动速度最快,而当“变小时,响应时间跟着加长了。 根据这一思想,我们来讨论开关式双模模糊控制器。 开关式双模模糊控制器具有开关控制和模糊控制的双重功能, 它在系统中的作用是,对于较大的误差,如?,控制量变化取 十“或一,实行非线性开关控制模态,使电机全速起动,以提高 系统的响应速度,加快响应过程。对于的较小误差,实行模 糊控制模态,提高系统阻尼程度,使其响应过程具有小超调,甚至第三蒂控制 原理发算法 无超调的特性。可见,开关控制是针对提高模糊控制系统的响应速 度而增设的。 带有开关式双模模糊控制器的系统方框图见图.。其中为 软件控制的切换开关,根据选定的切换阀值进行程序切换,以实 现双模控制。阀值要选得适当,如果选得过大,将降低响应速度, 拖长响应过程,但可减少超调。因此,选择切换阀值既要考虑对 系统响应速度的要求,又要保证对响应过程超调的限制。在实验过 程中可以反复调试几次,直至找到最佳。 ?。。。。。。。。。。。。。。。。。。‘。‘。‘‘。‘‘。。。。一?‘ ?一开关式控制器一 ,???。一 誓被控对象?璺。 一被控对象卜?’ 一 图.含双模控制器的系统方框图 .复合控制【】~【】 尽管本文在设计过程中采用了改进的模糊控制器,一定程度地 提高了系统的控制精度。但模糊控制毕竟是一种有差控制,它不包 括积分控制。为了进一步提高系统的控制精度,利用输入量的各阶 导数信号进行前馈控制,构成前馈控制开环控制和反馈控制闭环 控制相结合的系统,即复合控制系统。它广泛应用于给定速度和加 速度值较大,且要求有较高的跟踪精度的情况。鉴于本系统的性能 指标要求,采用复合控制是非常合适的。系统的结构图如下: 图.复合控制系统结构图脊丁业大学预卜论文:智能挣制:吊舱模拟鼗置中的 应用研究 利用结构图变换,得复合控制系统的闭环传递函数: ? 、 ?’ ‖,沪掣:坠掣 臼。 ‖ 系统不加前馈控制时的闭环传递幽数是: ? 嗽蔫 即特征方程相 比较/和可以发现,它们的分母相同, 同,所以增加前馈控制并不影响原系统的稳定性。 如果选择: ? ?。高 则有 .‖ 复合控制系统有 ,。 即系统的输出完全复现系统的输入,系统的动态和静态误差都没有 了,这种情况即为系统对给定实现了完全不变性。 在一般情况下,,斋五可以展成的幂级数: 从上式可看出,要实现完全不变性,需要输入角,的一阶,二 阶,?,以至于高阶导数作为前馈控制信号,这是很难实现的。实 际上比较容易获得的是输入信号的一阶导数信号和二阶导数信号, 所以实际可行的是部分不变性。引入给定输入量一阶导数前馈信号 可补偿系统的速度误差,引入输入量二阶导数前馈误差信号可以补 偿加速度误差。囚此,部分不变性的复合控制对提高系统的动态精 度也是很有好处的。 在该方位控制系统中,采用的就是一阶和二阶前馈补偿。具体实现框图如下 图.方位控制系统复合控制结构图 %‘当‰为位置回路线性部分等效传递函数;为等效放大 十’ 倍数,形为等效时间常数。,,?.,详见第三章第二节; 为前馈环节传递函数,根据完全不变性原理,只要取 兰业些旦 , 、 复合控制系统将实现误差全补偿。实际系统在工作过程中,由于参 数的变化、元件的非线性以及外界的干扰,误差全补偿很难实现。 在该补偿系统中,取前馈环节传递函数为: .十. ? 对上式分别取.,.,可粗略得出加一阶前 馈和二阶前馈的作用,对该系统,前馈可使系统误差的最大值减小 ,左右。 .本章小结 本章详细地介绍了方位控制系统的控制算法原理。控制算法 是控制系统的灵魂和核心,它的好坏直接影响控制系统的动态、 静态性能。本文针对方位控制系统的性能要求,采用了经典控制 理论与现代控制方法相结合的方案,构成了该方位系统的控制算 法。眷业凡学砸。论文 智能挖制订:吊舱模拟装置中的应用研究 第四章系统性能分析 .稳定性分析 与古典控制理论的现代控制理论相比较,模糊控制理论研究是 不完备的,人们更热衷于它的实际应用,举例来说,模糊控制尚无 完整的稳定性理论。这一方面当然是由于模糊控制尚是一门年轻的 学科,另一方面,模糊系统本质上是非线性系统。当然,非线性系 统在一定范围内可以进行稳定性分析,但是传统的稳定性分析必须 以系统能够用数学表达式描述为前提,而不是用语言规则来描述, 因为语言规则中包含传统数学表达式无法处理的模糊变量。如此? 来,所谓系统的稳定性分析实际变成了数学模型的分析。 考虑到本文模糊控制器的设计基于实验经验,且对位置量和速 度量直观感受深,信息便于归纳这一特点,本文的模糊控制器采用 二个输入量,单个输出量,其框图如图.所示。 图.模糊控制系统一般框图 鉴于本系统规模不大,输入输出关系明确,对它进行稳定性分 析有一定意义,下面我们采用了常用的分析模糊系统稳定性方法来 分析本系统的稳定性。 .相平面法【 模糊控制就其本质来说是非线性控制,而相平面是解决常规非 线性问题简单而直观的有效方法。尽管模糊控制比常规非线性控制第删章系 统:能分析 复杂,但它有自己的特点。采用本文前述模糊控制的设计方法,定 义,和“分别为控制器输入和输出的确切量。控制总表如表所 示。 表方位系统模糊控制规则总表 秘 淤 我们按习惯的直角坐标方向安排图.中巳的档级分布,这样 的控制表实际就是一张相平面的非线性区域分布图。我们将和的 坐标轴画在表中图.中的点划线,这样,对于给定的控制对象 茁/疋%,可以用其在图.上的?轨迹来分析模糊 控制系统的稳定性。 一??。??,????“ 屯 七 ~ 一 一 。??,一?????? 一 一 ?;; 图.模糊控制系统相轨迹 当系统输入为阶跃函数且输入点为点时,模糊控制系统的相 轨迹如图.中的曲线或所为?。可以看出,这个模糊控制系统是 稳定的。图.中控制量为的子集恰好处于对角线上,我们希奋丁业人学论文: 借能挣制“吊舱模拟装置中的心用研究 望系统沿曲线运动,这样系统运行平稳、响应速度快且超调量近 于零。沿曲线运动系统超调量大、有振荡,这说明控制表取值及。 的量化不够合适,可通过改变控制值加快系统的响应速度,同时减 小的级宽度或者不使用档级来减少或消除稳态时的震荡现象。 因此,我们知道,使用相平面法不仅可以分析一给定的模糊控制系 统的稳定性及系统性能,而且还可以直观地通过改变。和的档级分 布和控制值的大小,对模糊控制器作进一步调试,以获得最佳的控 制效果。 .摩擦非线性对系统性能的影响 在本系统中,由于执行机构是力矩电机,存在着摩擦,所谓摩 擦非线性,是指执行轴的静摩擦力矩大于动摩擦力矩而造成的非线 性特性。摩擦非线性对系统来说,是一个很重要的因素,它影响着 系统的性能。从静态来看,相当于执行机构存在死区,从而造成系 统的静误差。从运动过程看,摩擦非线性可能使系统产生振荡,这 对本系统来说是绝不允许的。摩擦非线性如图.,其中横坐标表示 执行轴的角转速度”,纵坐标表示摩擦转距。。。,是静摩擦转矩; :是动摩擦转矩,川?:。 慨。 ? ?广?一 且毵 蛾』 胛 图.摩擦非线性 在改善由摩擦非线性引起的低速抖动问题上,我们可以采取如 下措施: 首先,应改善输出轴上的润滑情况,对减少低速抖动是有利的;