一種光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法，該方法對傳統(tǒng)模糊控制進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)造了一種相對變論域模糊控制器(CVU-Fuzzy，Conversely?Variable?Universe?Fuzzy)應(yīng)用于光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路；CVU-Fuzzy控制通過對控制器的輸入進(jìn)行伸縮以及對控制器的輸出進(jìn)行調(diào)整達(dá)到相對改變論域的目的，得到一種形式簡潔的冪函數(shù)類型輸入伸縮因子α1、α2以及輸出調(diào)整因子β作用于模糊推理的輸入與輸出；優(yōu)點是采用一種基于系統(tǒng)測試的方法，將模糊推理簡化為二維查找表，降低模糊推理計算復(fù)雜度，改善系統(tǒng)實時性；應(yīng)用改進(jìn)的粒子群算法對輸入伸縮因子及輸出調(diào)整因子相關(guān)參數(shù)進(jìn)行離線尋優(yōu)，最終確定CVU-Fuzzy控制器，保證光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路高穩(wěn)定精度和快速的動態(tài)響應(yīng)能力。
【專利說明】一種光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模糊控制方法，尤其是涉及一種光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光電跟蹤器能隔離載體(導(dǎo)彈、飛機(jī)、戰(zhàn)車、艦船)擾動，通過圖像探測設(shè)備實時測量光電跟蹤器視軸與動目標(biāo)之間的脫靶量，驅(qū)動光電跟蹤器朝脫靶量減小的方向轉(zhuǎn)動，以此實現(xiàn)對機(jī)動目標(biāo)的跟蹤。要精確測量脫靶量，保持光電跟蹤器視軸穩(wěn)定是前提，因此設(shè)計品質(zhì)良好的視軸穩(wěn)定回路顯得尤為重要。
[0003]光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路采用陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)，其中控制器、電機(jī)驅(qū)動器、電機(jī)、負(fù)載平臺依次連接構(gòu)成穩(wěn)定回路的前向通路，陀螺感應(yīng)輸出的角速率信號后以及經(jīng)過數(shù)字濾波器一起構(gòu)成反饋回路，目前，光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路通常采用模糊控制方法，其控制器米用二維模糊控制結(jié)構(gòu)，包含兩個輸入端和一個輸出端，兩個輸入端的輸入信號與誤差信號e和誤差變化率信號ec —一對應(yīng)，輸出端的輸出信號為控制信號，模糊控制結(jié)構(gòu)主要由兩個量化因子、一個比例因子以及作為主體部分的模糊推理結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中，量化因子負(fù)責(zé)將模糊控制器實際輸入信號映射到論域。比例因子將模糊控制器輸出論域值映射為實際輸出值。模糊推理結(jié)構(gòu)則需要設(shè)定輸入輸出信號的論域、隸屬度函數(shù)以及模糊控制規(guī)則。
[0004]現(xiàn)有的光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法通常包括以下步驟:
[0005]1.首先將兩個量化因子、比例因子、輸入輸出論域及其隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則以及解模糊化方法存儲到控制器中，構(gòu)建得到模糊控制器；
[0006]2.開啟光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路，向光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路中依次輸入給定的一系列角速率值，每次輸入的角速率值與光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路反饋回來的角速率值輸出值相減得到誤差信號e，誤差信號前向差分得到誤差變化率信號ec ;
[0007]3.將e和ec輸入模糊控制器，分別與各自的量化因子相乘，映射到各自的論域，對e和ec兩個輸入論域模糊子集及其隸屬度函數(shù)按照設(shè)定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行max-min映射，得到輸出信號的模糊表達(dá)，然后將其解模糊化，通過比例因子放大即得到模糊控制器的輸出，輸出值驅(qū)動后續(xù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)對光電跟蹤器跟蹤速度的控制。
[0008]現(xiàn)有的光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法具有簡單、動態(tài)響應(yīng)快、不依賴受控對象精確數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點，但是也存在以下問題:
[0009]一、模糊控制本質(zhì)上是插值器，插值機(jī)理表明有限的模糊控制規(guī)則不具有完備性，進(jìn)而影響控制精度，除此之外模糊控制還缺少積分調(diào)節(jié)，其控制存在著固有靜差，基于以上兩點，光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路采用模糊控制會造成穩(wěn)定精度不夠高；
[0010]二、模糊控制須經(jīng)過對輸入變量進(jìn)行模糊化、模糊推理以及解模糊化之后才能輸出控制量，考慮實際應(yīng)用于光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路時，這一過程將耗費較大計算量，不利于控制系統(tǒng)的實時性；
[0011]三、模糊控制在確定了控制規(guī)則以及隸屬度函數(shù)之后，其控制結(jié)構(gòu)就已經(jīng)確定，而當(dāng)光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路工作在強(qiáng)非線性因素以及隨機(jī)干擾作用下時，傳統(tǒng)模糊控制不具備自適應(yīng)功能，視軸穩(wěn)定回路控制器相關(guān)特征參數(shù)不能隨變，這就造成當(dāng)控制器輸入變化劇烈時視軸穩(wěn)定回路對輸入信號的跟蹤效果下降，無法有效抵抗突發(fā)干擾。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法，該1旲糊控制方法能提聞光電跟蹤器視軸穩(wěn)定精度和控制實時性，并且能提聞光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路在干擾作用下的快速動態(tài)響應(yīng)能力。
[0013]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:
[0014]一種光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法，包括以下步驟
[0015]①.構(gòu)建初始模糊控制器:
[0016]①-1.構(gòu)建初始模糊控制器的二維查找表，包括以下步驟
[0017]a.將光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路中控制器的兩個輸入信號分別記為e和ec，輸出信號記為U，將e的論域記為E，ec的論域記為EC，u的論域記為U，將E、EC和U都劃分為七個連續(xù)的模糊集合，分別是代表負(fù)大的NB、代表負(fù)中的匪、代表負(fù)小的NS、代表零的Z0、代表正小的PS、代表正中的PM和代表正大的PB，所有模糊集合都采用三角形隸屬度函數(shù)，兩個量化因子都取1，采用的模糊控制規(guī)則如下表所示，
[0018]表1.控制規(guī)則集
[0019]

【權(quán)利要求】
1.一種光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的模糊控制方法，其特征在于包括以下步驟: ①.構(gòu)建初始t吳糊控制器: ①-1.構(gòu)建初始模糊控制器的二維查找表，包括以下步驟: a.將光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路中控制器的兩個輸入信號分別記為e和ec，輸出信號記為U，將e的論域記為E，ec的論域記為EC，u的論域記為U，將E、EC和U都劃分為七個連續(xù)的模糊集合，分別是代表負(fù)大的NB、代表負(fù)中的匪、代表負(fù)小的NS、代表零的Z0、代表正小的PS、代表正中的PM和代表正大的PB，所有模糊集合都采用三角形隸屬度函數(shù)，兩個量化因子都取1，采用的模糊控制規(guī)則如下表1所示， 表1.控制規(guī)則集
采用的隸屬度函數(shù)如下:其中X分別代表論域E、EC以及U ;

b.開啟光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路使其進(jìn)入工作狀態(tài)，對光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路輸入j(j≥100)次幅值在(-lrad/s，lrad/s)范圍內(nèi)隨機(jī)的角速率信號，采集光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路輸出端輸出的j次輸出角速率信號，將每一次輸入的角速率信號減去上一次光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路反饋的輸出角速率信號得到誤差信號e作為控制器的一個輸入信號，對每一次的誤差信號e做前向差分得到誤差變化率信號ec作為控制器的另一個輸入信號，由此得到j(luò)組由誤差信號e和誤差變化率信號ec組成的控制器的輸入信號，將j個誤差信號e和j個誤差變化率信號ec分別取絕對值I e |和| ec |，j個絕對值| e |中最大值記為e_及最小值記為emin, j個絕對值|ec I中最大值記為ecmax及最小值記為ecmin,將j組誤差信號e和誤差變化率信號ec依次輸入控制器中，采集控制器輸出端的j個輸出信號U，將j個輸出信號u分別取絕對值|u|，將j個|u|的最大值記為Umax以及最小值記為Umin，并求出中位值
然后對光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路輸入k(k ^ 100)次幅值為I的階躍信號，同時本步驟前述方法得到k次中|e|的最大值step_emax以及| ec |的最大值step_eCmax ; c.將誤差信號e和誤差變化率信號ec的大小范圍分別歸一化為:ee [-1, -efflin/emJ U [emin/emax, I]以及 ec e [-1, -ecmin/ecmax] U [ecmin/ecmax, I]；
d.在e e [-1，-emin/emax] U [emin/emax, I]范圍內(nèi)每隔(l_emin/emax)/(n_l)取一個點,共計 2n 個點，記為點集 A,在 ec e [-1, -ecmin/ecmax] U [ecmin/ecmax, I]的范圍內(nèi)每隔(l_ecmin/ecmax)/(n-l)取一個點,共計2n個點，記為點集B,其中η為大于I的整數(shù)，以點集A作為列，點集B作為行構(gòu)建一張空白的2η X 2η的表格； e.將點集A和B作為誤差信號e及誤差變化率信號ec的測試向量輸入按步驟a確立的控制器，將點集A和B中信號的論域模糊子集及其隸屬度函數(shù)按照設(shè)定的模糊控制規(guī)則進(jìn)行max-min映射，得到輸出信號的模糊表達(dá)后按照重心法解模糊，解模糊采用公式
其中Ck為輸出論域劃分值，Uc(Ck)為輸出論域隸屬度函數(shù)的 最大值，點集A和B中的數(shù)據(jù)都輸入控制器完成解算后得到控制器所有的輸出值，記錄輸出值中的最大值《 和最小值u酬,求取其中位值
將輸入的點集A和B中數(shù)據(jù)



與對應(yīng)的控制器輸出數(shù)據(jù)按序存入按步驟d建立的表格，然后將該表格的行和列按均勻間隔各取7個點構(gòu)成7X7的表格，得到初始模糊控制器的二維查找表； ①-2.將求得的二維查找表取代控制器中如表1所示的控制規(guī)則集，兩個量化因子Ic1 = k2 = 1，控制器比例因子Y = T11:,確定第一輸入伸縮因子?, =IeZstep^eiraP +6，第二輸入伸縮因子a2=|ec/sicp—ec_p+?j ,確定輸出調(diào)整因子
，將七個未知參數(shù)(τ ” τ 2、τ 3、τ 4、ε ”ε 2、ε 3)初始化為(0.5，0.5，0.5，0.5，0.05，0.05，0.05)，最終確立了初始的模糊控制器，以上式子中St印_emax、Skp_emax、^為第①-1步中的第b步獲得，I由第①-1步中的第e步獲得； ②.對第一輸入伸縮因子Ci1、第二輸入伸縮因子Ci2以及輸出調(diào)整因子β的七個參數(shù)(τ 1、T 2> Τ 3> Τ 4> ε 1、￡ 2> ￡ 3)進(jìn)行粒子群尋優(yōu)，包括以下步驟: ②-1.確立初始模糊控制器后，設(shè)定粒子種群數(shù)為M (Μ ^ I)，迭代次數(shù)為Ν(Ν > I)，粒子群尋優(yōu)空間維數(shù)為7 ； ②-2.建立粒子群尋優(yōu)適應(yīng)度函數(shù)fitness，該函數(shù)由階躍響應(yīng)的超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、上升時間以及調(diào)整時間組合而成，表達(dá)式為:
式中，t 為仿真時間，(200ms ^ t ^ 1000ms), e (t)表示階躍響應(yīng)與輸入的差值，Mp表示階躍響應(yīng)的超調(diào)量，
其中y_表示階躍響應(yīng)的峰值，_表示階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值，tr表示階躍響應(yīng)的調(diào)整時間，t,等于階躍響應(yīng)值從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到穩(wěn)態(tài)值90%所需的時間，ts表示階躍響應(yīng)的調(diào)整時間，ts等于從t = O開始計時階躍響應(yīng)值與階躍信號值之間的偏差達(dá)到2%時所經(jīng)歷的暫態(tài)過程時間，ki~k5表示對應(yīng)評價指標(biāo)對適應(yīng)度函數(shù)的貢獻(xiàn)度，其中.4000 ^ ki ^ 6000, 40 ^ k2 ^ 60, 40 ^ k3 ^ 60, 40 ^ k4 ^ 60, 40 ^ k5 ^ 60 ； ②-3.對光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路輸入幅值為I的階躍信號，采集光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路輸出信號，輸入信號減去光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路反饋的輸出信號得到誤差信號e，同時對e做前向差分得到誤差變化率信號ec ； ②-4.將七維粒子所代表的七個數(shù)據(jù)(T1, τ 2, τ 3, τ4, ε 1； ε 2, ε 3)代入第一輸入伸縮因子Ofl =|e/step,.e_p +(6,、第二輸入伸縮因子α2 =|ec/Step^ecliuJ" +?以及輸出調(diào)整
②-5.將e除以輸入第一輸入伸縮因子Ci1, ec除以第二輸入伸縮因子Ci2進(jìn)行擴(kuò)張后，通過量化因子h和k2量化后作為二維查找表的查找索引，在二維查找表中找到輸出值后經(jīng)過比例因子Y放大，再通過輸出調(diào)整因子β進(jìn)行調(diào)整后作為初始模糊控制器的輸出，然后驅(qū)動后續(xù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后得到光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路輸出的階躍響應(yīng)信號，如果求取初始化粒子群的局部最優(yōu)粒子和全局最優(yōu)粒子，則轉(zhuǎn)至第②-6步，否則轉(zhuǎn)至第②-7步；②-6.分析階躍響應(yīng)信號并提取超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、上升時間以及調(diào)整時間，按照fitness函數(shù)計算出該粒子的適應(yīng)度函數(shù)值,并記錄該粒子對應(yīng)的適應(yīng)度函數(shù)值，回到第②-3步開始計算下一個粒子的適應(yīng)度函數(shù)值，直到完成對第M個粒子的計算，記錄這M次計算的最小適應(yīng)度函數(shù)，每個粒子的初始化值即為初始粒子群的局部最優(yōu)粒子Ppb，最小適應(yīng)度函數(shù)值對應(yīng)的粒子即為全局最優(yōu)粒子Pgb，完成對第M個粒子的初始計算后，回到第②-3步開始下一次粒子群迭代尋優(yōu)； ②-7.找到上一個粒子或上一次尋優(yōu)時粒子群中的局部最優(yōu)粒子Ppb以及全局最優(yōu)粒子Pgb后，需對粒子群中的其他粒子進(jìn)行迭代尋優(yōu)，按以下公式更新該次第i(i為不大于M的正整數(shù))個粒子的飛行速度及位置
Vi (n+1) = ω Xvi(n)+r1c1(ppb-pi(n))+r2c2(pgb-pi(n)), Pi (η+1) = Pi (η)+Vi (η+1)，其中，ν^η+Ι)為更新后的粒子速度，Vi (η)為粒子當(dāng)前速度，Pi (η+1)更新后的粒子位置，Pi (η)為粒子當(dāng)前位置，w為飛行慣性權(quán)值，Γι和r2為[O，I]的隨機(jī)數(shù)，Cl和c2是學(xué)習(xí)因子； ②-8.每個粒子的位置更新完成后，對其加上位置限制，Pi = Ji +? ’ Z1 = P1- Θ 0,YiT =sign (z/) Xmin (abs (Zi), R),其中，R為牽引半徑，Θ ^為牽引中心，Pi表示當(dāng)前粒子的空間位置向量，Zi表示當(dāng)前粒子與牽引中心的距離向量，Yi表示更新后與牽引中心的距離向量，異表示修正后的粒子位置向量； ②-9.分析第②-5步獲得的階躍響應(yīng)并提取超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差、上升時間以及調(diào)整時間，然后依照fitness函數(shù)求出該粒子的適應(yīng)度函數(shù)值，每次更新完一個粒子，通過與上一個粒子的適應(yīng)度值進(jìn)行比較，尋找并記憶粒子群目前的局部最優(yōu)粒子Ppb以及全局最優(yōu)粒子 Pgb ； ②-10.下一個粒子的計算又回到②-3步開始，直到完成對M個粒子的尋優(yōu)，尋完M個粒子后就結(jié)束了此次尋優(yōu)然后跳轉(zhuǎn)到②-11進(jìn)行下一次的尋優(yōu)，尋完一個粒子就記憶每個粒子目前的局部最優(yōu)粒子Ppb以及當(dāng)前粒子群的全局最優(yōu)粒子Pgb ； ②-11.下一次粒子群尋優(yōu)從②-3步開始，直到尋滿設(shè)定的N次為止，尋完N次就結(jié)束了粒子群尋優(yōu)，第N次尋優(yōu)得到的全局最優(yōu)粒子pgb final即為第一輸入伸縮因子a 1、第二輸入伸縮因子α 2以及輸出調(diào)整因子β的待確定七個參數(shù)(τ τ 2，τ 3，τ 4，ε ^ ε 2，ε 3); ③.模糊控制器參數(shù)尋優(yōu)完成 將步驟②得到的最優(yōu)第一輸入伸縮因子Ci1、第二輸入伸縮因子^2以及輸出調(diào)整因子β的待確定七個參數(shù)(T1, τ 2，τ 3, τ 4，ε 1； ε 2，ε 3)取代其在初始模糊控制器中的初始值，得到最優(yōu)模糊控制器； ④開啟光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路，對光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路輸入角速率信號，將兩個量化因子都更改為輸入角速率信號最大值的倒數(shù)，輸入角速率信號經(jīng)過最優(yōu)模糊控制器的輸出后經(jīng)過PWM伺服驅(qū)動器后轉(zhuǎn)化為脈寬調(diào)制信號(PWM信號)，該信號驅(qū)動電機(jī)帶動負(fù)載平臺產(chǎn)生角速度，即光電跟蹤器視軸穩(wěn)定回路的輸出，從而實現(xiàn)對光電跟蹤器跟蹤速度的控制。
【文檔編號】G05B13/04GK104199287SQ201410367155
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月30日
【發(fā)明者】羅健, 田丹, 楊瀚程, 戴燕晨, 吳云江, 魏超, 唐國珍 申請人:寧波成電泰克電子信息技術(shù)發(fā)展有限公司