一种光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法，该方法对传统模糊控制进行了改进，构造了一种相对变论域模糊控制器(CVU-Fuzzy，Conversely?Variable?Universe?Fuzzy)应用于光电跟踪器视轴稳定回路；CVU-Fuzzy控制通过对控制器的输入进行伸缩以及对控制器的输出进行调整达到相对改变论域的目的，得到一种形式简洁的幂函数类型输入伸缩因子α1、α2以及输出调整因子β作用于模糊推理的输入与输出；优点是采用一种基于系统测试的方法，将模糊推理简化为二维查找表，降低模糊推理计算复杂度，改善系统实时性；应用改进的粒子群算法对输入伸缩因子及输出调整因子相关参数进行离线寻优，最终确定CVU-Fuzzy控制器，保证光电跟踪器视轴稳定回路高稳定精度和快速的动态响应能力。
【专利说明】一种光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种模糊控制方法，尤其是涉及一种光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法。
【背景技术】
[0002]光电跟踪器能隔离载体(导弹、飞机、战车、舰船)扰动，通过图像探测设备实时测量光电跟踪器视轴与动目标之间的脱靶量，驱动光电跟踪器朝脱靶量减小的方向转动，以此实现对机动目标的跟踪。要精确测量脱靶量，保持光电跟踪器视轴稳定是前提，因此设计品质良好的视轴稳定回路显得尤为重要。
[0003]光电跟踪器视轴稳定回路采用陀螺稳定平台结构，其中控制器、电机驱动器、电机、负载平台依次连接构成稳定回路的前向通路，陀螺感应输出的角速率信号后以及经过数字滤波器一起构成反馈回路，目前，光电跟踪器视轴稳定回路通常采用模糊控制方法，其控制器米用二维模糊控制结构，包含两个输入端和一个输出端，两个输入端的输入信号与误差信号e和误差变化率信号ec —一对应，输出端的输出信号为控制信号，模糊控制结构主要由两个量化因子、一个比例因子以及作为主体部分的模糊推理结构构成，其中，量化因子负责将模糊控制器实际输入信号映射到论域。比例因子将模糊控制器输出论域值映射为实际输出值。模糊推理结构则需要设定输入输出信号的论域、隶属度函数以及模糊控制规则。
[0004]现有的光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法通常包括以下步骤:
[0005]1.首先将两个量化因子、比例因子、输入输出论域及其隶属度函数、模糊控制规则以及解模糊化方法存储到控制器中，构建得到模糊控制器；
[0006]2.开启光电跟踪器视轴稳定回路，向光电跟踪器视轴稳定回路中依次输入给定的一系列角速率值，每次输入的角速率值与光电跟踪器视轴稳定回路反馈回来的角速率值输出值相减得到误差信号e，误差信号前向差分得到误差变化率信号ec ;
[0007]3.将e和ec输入模糊控制器，分别与各自的量化因子相乘，映射到各自的论域，对e和ec两个输入论域模糊子集及其隶属度函数按照设定的模糊控制规则进行max-min映射，得到输出信号的模糊表达，然后将其解模糊化，通过比例因子放大即得到模糊控制器的输出，输出值驱动后续执行机构实现对光电跟踪器跟踪速度的控制。
[0008]现有的光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法具有简单、动态响应快、不依赖受控对象精确数学模型等优点，但是也存在以下问题:
[0009]一、模糊控制本质上是插值器，插值机理表明有限的模糊控制规则不具有完备性，进而影响控制精度，除此之外模糊控制还缺少积分调节，其控制存在着固有静差，基于以上两点，光电跟踪器视轴稳定回路采用模糊控制会造成稳定精度不够高；
[0010]二、模糊控制须经过对输入变量进行模糊化、模糊推理以及解模糊化之后才能输出控制量，考虑实际应用于光电跟踪器视轴稳定回路时，这一过程将耗费较大计算量，不利于控制系统的实时性；
[0011]三、模糊控制在确定了控制规则以及隶属度函数之后，其控制结构就已经确定，而当光电跟踪器视轴稳定回路工作在强非线性因素以及随机干扰作用下时，传统模糊控制不具备自适应功能，视轴稳定回路控制器相关特征参数不能随变，这就造成当控制器输入变化剧烈时视轴稳定回路对输入信号的跟踪效果下降，无法有效抵抗突发干扰。
【发明内容】
[0012]本发明所要解决的技术问题是提供一种光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法，该1旲糊控制方法能提闻光电跟踪器视轴稳定精度和控制实时性，并且能提闻光电跟踪器视轴稳定回路在干扰作用下的快速动态响应能力。
[0013]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
[0014]一种光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法，包括以下步骤
[0015]①.构建初始模糊控制器:
[0016]①-1.构建初始模糊控制器的二维查找表，包括以下步骤
[0017]a.将光电跟踪器视轴稳定回路中控制器的两个输入信号分别记为e和ec，输出信号记为U，将e的论域记为E，ec的论域记为EC，u的论域记为U，将E、EC和U都划分为七个连续的模糊集合，分别是代表负大的NB、代表负中的匪、代表负小的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隶属度函数，两个量化因子都取1，采用的模糊控制规则如下表所示，
[0018]表1.控制规则集
[0019]
【权利要求】
1.一种光电跟踪器视轴稳定回路的模糊控制方法，其特征在于包括以下步骤: ①.构建初始t吴糊控制器: ①-1.构建初始模糊控制器的二维查找表，包括以下步骤: a.将光电跟踪器视轴稳定回路中控制器的两个输入信号分别记为e和ec，输出信号记为U，将e的论域记为E，ec的论域记为EC，u的论域记为U，将E、EC和U都划分为七个连续的模糊集合，分别是代表负大的NB、代表负中的匪、代表负小的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隶属度函数，两个量化因子都取1，采用的模糊控制规则如下表1所示， 表1.控制规则集
采用的隶属度函数如下:其中X分别代表论域E、EC以及U ;
b.开启光电跟踪器视轴稳定回路使其进入工作状态，对光电跟踪器视轴稳定回路输入j(j≥100)次幅值在(-lrad/s，lrad/s)范围内随机的角速率信号，采集光电跟踪器视轴稳定回路输出端输出的j次输出角速率信号，将每一次输入的角速率信号减去上一次光电跟踪器视轴稳定回路反馈的输出角速率信号得到误差信号e作为控制器的一个输入信号，对每一次的误差信号e做前向差分得到误差变化率信号ec作为控制器的另一个输入信号，由此得到j组由误差信号e和误差变化率信号ec组成的控制器的输入信号，将j个误差信号e和j个误差变化率信号ec分别取绝对值I e |和| ec |，j个绝对值| e |中最大值记为e_及最小值记为emin, j个绝对值|ec I中最大值记为ecmax及最小值记为ecmin,将j组误差信号e和误差变化率信号ec依次输入控制器中，采集控制器输出端的j个输出信号U，将j个输出信号u分别取绝对值|u|，将j个|u|的最大值记为Umax以及最小值记为Umin，并求出中位值
然后对光电跟踪器视轴稳定回路输入k(k ^ 100)次幅值为I的阶跃信号，同时本步骤前述方法得到k次中|e|的最大值step_emax以及| ec |的最大值step_eCmax ; c.将误差信号e和误差变化率信号ec的大小范围分别归一化为: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]范围内每隔(l_emin/emax)/(n_l)取一个点,共计 2n 个点，记为点集 A,在 ec e [-1, -ecmin/ecmax] U [ecmin/ecmax, I]的范围内每隔(l_ecmin/ecmax)/(n-l)取一个点,共计2n个点，记为点集B,其中η为大于I的整数，以点集A作为列，点集B作为行构建一张空白的2η X 2η的表格； e.将点集A和B作为误差信号e及误差变化率信号ec的测试向量输入按步骤a确立的控制器，将点集A和B中信号的论域模糊子集及其隶属度函数按照设定的模糊控制规则进行max-min映射，得到输出信号的模糊表达后按照重心法解模糊，解模糊采用公式
其中Ck为输出论域划分值，Uc(Ck)为输出论域隶属度函数的 最大值，点集A和B中的数据都输入控制器完成解算后得到控制器所有的输出值，记录输出值中的最大值《 和最小值u酬,求取其中位值
将输入的点集A和B中数据
与对应的控制器输出数据按序存入按步骤d建立的表格，然后将该表格的行和列按均匀间隔各取7个点构成7X7的表格，得到初始模糊控制器的二维查找表； ①-2.将求得的二维查找表取代控制器中如表1所示的控制规则集，两个量化因子Ic1 = k2 = 1，控制器比例因子Y = T11:,确定第一输入伸缩因子?, =IeZstep^eiraP +6，第二输入伸缩因子a2=|ec/sicp—ec_p+?j ,确定输出调整因子
，将七个未知参数(τ ” τ 2、τ 3、τ 4、ε ”ε 2、ε 3)初始化为(0.5，0.5，0.5，0.5，0.05，0.05，0.05)，最终确立了初始的模糊控制器，以上式子中St印_emax、Skp_emax、^为第①-1步中的第b步获得，I由第①-1步中的第e步获得； ②.对第一输入伸缩因子Ci1、第二输入伸缩因子Ci2以及输出调整因子β的七个参数(τ 1、T 2> Τ 3> Τ 4> ε 1、￡ 2> ￡ 3)进行粒子群寻优，包括以下步骤: ②-1.确立初始模糊控制器后，设定粒子种群数为M (Μ ^ I)，迭代次数为Ν(Ν > I)，粒子群寻优空间维数为7 ； ②-2.建立粒子群寻优适应度函数fitness，该函数由阶跃响应的超调量、稳态误差、上升时间以及调整时间组合而成，表达式为:
式中，t 为仿真时间，(200ms ^ t ^ 1000ms), e (t)表示阶跃响应与输入的差值，Mp表示阶跃响应的超调量，
其中y_表示阶跃响应的峰值，_表示阶跃响应的稳态值，tr表示阶跃响应的调整时间，t,等于阶跃响应值从稳态值的10%上升到稳态值90%所需的时间，ts表示阶跃响应的调整时间，ts等于从t = O开始计时阶跃响应值与阶跃信号值之间的偏差达到2%时所经历的暂态过程时间，ki~k5表示对应评价指标对适应度函数的贡献度，其中.4000 ^ ki ^ 6000, 40 ^ k2 ^ 60, 40 ^ k3 ^ 60, 40 ^ k4 ^ 60, 40 ^ k5 ^ 60 ； ②-3.对光电跟踪器视轴稳定回路输入幅值为I的阶跃信号，采集光电跟踪器视轴稳定回路输出信号，输入信号减去光电跟踪器视轴稳定回路反馈的输出信号得到误差信号e，同时对e做前向差分得到误差变化率信号ec ； ②-4.将七维粒子所代表的七个数据(T1, τ 2, τ 3, τ4, ε 1； ε 2, ε 3)代入第一输入伸缩因子Ofl =|e/step,.e_p +(6,、第二输入伸缩因子α2 =|ec/Step^ecliuJ" +?以及输出调整
②-5.将e除以输入第一输入伸缩因子Ci1, ec除以第二输入伸缩因子Ci2进行扩张后，通过量化因子h和k2量化后作为二维查找表的查找索引，在二维查找表中找到输出值后经过比例因子Y放大，再通过输出调整因子β进行调整后作为初始模糊控制器的输出，然后驱动后续的执行机构，最后得到光电跟踪器视轴稳定回路输出的阶跃响应信号，如果求取初始化粒子群的局部最优粒子和全局最优粒子，则转至第②-6步，否则转至第②-7步；②-6.分析阶跃响应信号并提取超调量、稳态误差、上升时间以及调整时间，按照fitness函数计算出该粒子的适应度函数值,并记录该粒子对应的适应度函数值，回到第②-3步开始计算下一个粒子的适应度函数值，直到完成对第M个粒子的计算，记录这M次计算的最小适应度函数，每个粒子的初始化值即为初始粒子群的局部最优粒子Ppb，最小适应度函数值对应的粒子即为全局最优粒子Pgb，完成对第M个粒子的初始计算后，回到第②-3步开始下一次粒子群迭代寻优； ②-7.找到上一个粒子或上一次寻优时粒子群中的局部最优粒子Ppb以及全局最优粒子Pgb后，需对粒子群中的其他粒子进行迭代寻优，按以下公式更新该次第i(i为不大于M的正整数)个粒子的飞行速度及位置
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)为更新后的粒子速度，Vi (η)为粒子当前速度，Pi (η+1)更新后的粒子位置，Pi (η)为粒子当前位置，w为飞行惯性权值，Γι和r2为[O，I]的随机数，Cl和c2是学习因子； ②-8.每个粒子的位置更新完成后，对其加上位置限制，Pi = Ji +? ’ Z1 = P1- Θ 0,YiT =sign (z/) Xmin (abs (Zi), R),其中，R为牵引半径，Θ ^为牵引中心，Pi表示当前粒子的空间位置向量，Zi表示当前粒子与牵引中心的距离向量，Yi表示更新后与牵引中心的距离向量，异表示修正后的粒子位置向量； ②-9.分析第②-5步获得的阶跃响应并提取超调量、稳态误差、上升时间以及调整时间，然后依照fitness函数求出该粒子的适应度函数值，每次更新完一个粒子，通过与上一个粒子的适应度值进行比较，寻找并记忆粒子群目前的局部最优粒子Ppb以及全局最优粒子 Pgb ； ②-10.下一个粒子的计算又回到②-3步开始，直到完成对M个粒子的寻优，寻完M个粒子后就结束了此次寻优然后跳转到②-11进行下一次的寻优，寻完一个粒子就记忆每个粒子目前的局部最优粒子Ppb以及当前粒子群的全局最优粒子Pgb ； ②-11.下一次粒子群寻优从②-3步开始，直到寻满设定的N次为止，寻完N次就结束了粒子群寻优，第N次寻优得到的全局最优粒子pgb final即为第一输入伸缩因子a 1、第二输入伸缩因子α 2以及输出调整因子β的待确定七个参数(τ τ 2，τ 3，τ 4，ε ^ ε 2，ε 3); ③.模糊控制器参数寻优完成 将步骤②得到的最优第一输入伸缩因子Ci1、第二输入伸缩因子^2以及输出调整因子β的待确定七个参数(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，得到最优模糊控制器； ④开启光电跟踪器视轴稳定回路，对光电跟踪器视轴稳定回路输入角速率信号，将两个量化因子都更改为输入角速率信号最大值的倒数，输入角速率信号经过最优模糊控制器的输出后经过PWM伺服驱动器后转化为脉宽调制信号(PWM信号)，该信号驱动电机带动负载平台产生角速度，即光电跟踪器视轴稳定回路的输出，从而实现对光电跟踪器跟踪速度的控制。
【文档编号】G05B13/04GK104199287SQ201410367155
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】罗健, 田丹, 杨瀚程, 戴燕晨, 吴云江, 魏超, 唐国珍 申请人:宁波成电泰克电子信息技术发展有限公司