本发明涉及输电线缆异物清除跟踪领域，具体涉及一种基于激光清除异物装置的模糊pid控制方法。
背景技术
架空输电线路点多面广、跨度大、线路长，沿线环境复杂，风筝和风筝线、农用塑料布、广告布、遮阳网等漂浮性异物经常缠挂在输电线路上，可造成相间短路、单相接地，导致线路跳闸停电或线路损毁，垂落的异物或烧断损毁的导线还可造成人畜伤亡，给电力系统和社会造成了极大的经济损失。
带电清除异物是带电作业中安全风险最高的项目。目前，对于输电线路进行异物清除的主要方法有两种，一种是工作人员上塔清除，包括停电后电工上线摘除以及等电位带电作业摘除。这种方法耗时耗力、危险性高，且不适用于复杂地形处的架空线路。同时由于异物种类、缠绕方式多种多样，依靠带电作业过程中作业工人“随机应变”来处理异物，有些操作危险性较高，只能停电处理，直接降低了供电的可靠性，造成社会经济损失。具有需攀爬杆塔、走线、高电压高空作业、难度高、风险大、耗时长、需停电作业等缺点，耗费了大量人力物力，给电力系统线路巡检工作造成沉重的压力。另外一种使用较多的方法是无人机搭载喷火装置或者利用其他机械式遥控装置除异物，该方法对设备的可操纵性要求较高，其中一些方法也会对电缆造成损害，没有能够大面积推广使用。
工作人员在清除异物的过程中，往往需要耗费大量的体力劳动，而且效率不高，目前的有关高压线缆清除异物设备在实际工作过程中仍然需要工作人员进行复杂的控制，不能做到真正的智能化与自动化。
同时，传统方法的难以兼顾系统的动态性能和稳态能，对于高精度要求和高耦合度的系统，固定参数的pid控制无法达到控制要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于激光清除异物装置的模糊pid控制方法，能够实现自动线缆跟踪，稳定性强、鲁棒性好。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光清除异物装置的模糊pid控制方法，包括如下步骤：
步骤1、确定位置偏差和偏差变化率；
步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定pid控制参数的变化量；
步骤3、根据控制参数变化量调整pid控制参数，对转台位置进行pid控制，使控制转台跟踪线缆。
使用上述方法的激光清除异物装置包括转台、激光部件、底座、电源系统、输入输出装置、控制系统、视觉传感器；其中，转台包括方位部件和俯仰部件，方位部件安装在底座上方，俯仰部件安装在方位部件上方，激光部件包括激光发射头，激光发射头和视觉传感器安装俯仰部件上；
控制系统与视觉传感器连接，调整视觉传感器参数，视觉传感器用于捕获异物点，将图像传给控制系统进行图像识别；控制系统分别与方位部件、俯仰部件相连，控制系统对图像识别的结果进行处理，驱动方位部件、俯仰部件进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件和视觉传感器转动；
电源系统为控制系统、视觉传感器、方位部件、俯仰部件、激光部件供电；
输入输出装置与控制系统连接，用于显示控制系统的控制界面和输入操作信息。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明根据系统的误差和误差变化情况及时调整pid的控制参数，能够实现自动线缆跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的激光清除异物装置的总装结构示意图。
图2是本发明激光清除异物装置的俯仰部件和方位部件的结构示意图。
图3是本发明激光清除异物装置的方位部件的剖面图和俯视图。
图4是本发明激光清除异物装置的俯仰部件的俯视图。
图5是本发明激光清除异物装置的控制系统工作示意图。
图6是本发明模糊pid控制的原理图。
图7是本发明模糊pid控制的隶属度函数曲线图，其中(a)是输入量的隶属度函数、(b)是输出量的隶属度函数。
图8是本发明模糊pid控制的matlab模糊推理结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1所示，本发明方法基于的激光清除异物装置包括转台1、激光部件2、底座3、电源系统、输入输出装置、控制系统、通信模块、视觉传感器8(优选高清工业相机)；其中转台1包括方位部件9和俯仰部件10。方位部件9安装在底座3上方，包括方位力矩电机11、方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12；俯仰部件10安装在方位部件9上方，包括轴承座一13、轴承座二14、俯仰力矩电机15；激光部件2包括激光发射头21和激光控制箱25，激光发射头21安装俯仰部件10的联接部件17上；视觉传感器8安装在俯仰部件10的联接部件17上。
控制系统中，工控机26与视觉传感器8连接，调整视觉传感器8参数，使视野清晰；视觉传感器8和工控机26连接，捕获异物点后，将图像传给工控机26进行图像识别；工控机26通过控制驱动部件29和方位部件9、俯仰部件10相连，可以进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件2和视觉传感器8转动；工控机26将图像识别的结果处理后，传给控制驱动部件29，调整方位部件9和俯仰部件10进行跟踪，并带动激光部件2对异物进行切割；控制系统和通信模块连接用于获取远程控制信息；电源系统为控制系统、视觉传感器8、方位部件9、俯仰部件10、激光部件2、通信模块供电。
如图2～4所示，方位部件9包括方位力矩电机11、方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12、方位限位锁零部件18、方位底座19和方位支架20。其中，方位支架20安装在方位底座19上，用于连接俯仰部件10。方位底座19固定在底座3上，俯仰部件10固定在方位支架20上。方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12固定在方位底座3内下方，由它得到实际方位转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件29；方位力矩电机11固定在方位底座19内上方，与方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12通过转动轴连接，可实现装置在方位上的-180～180度转动；方位限位锁零部件18位于方位支架20边缘上，通过控制驱动部件29的命令使其落入方位底座3边缘的一个圆孔中，用于锁定方位，固定方位支架20。
俯仰部件10包括轴承座一13、轴承座二14、俯仰力矩电机15、联接部件17、俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16、俯仰限位锁零部件22。其中，轴承座一13和轴承座二14固定安装在方位部件9的方位支架20上，轴承座一13和轴承座二14相互平行，跟随方位部件9转动；俯仰力矩电机15位于轴承座一13中，可实现0～90度俯仰旋转。联接部件17横架在俯仰力矩电机15和俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16之间，作为传动结构，并与视觉传感器8和激光发射头26相连，带动它们一起转动；俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16置于轴承座二14中，通过与联接部件17转动得到实际俯仰转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件29；俯仰限位锁零部件22位于轴承座二14内侧，用于机械限定俯仰力矩电机15的俯仰角度。方位支架20固定在方位底座19的上，用于连接俯仰部件10，带动其在方位上转动。
激光部件2包括激光发射头21和激光控制箱25，其中，激光发射头21通过光纤与激光控制箱25连接，发射激光，是激光光源处；激光发射头21安装在联接部件17上，与视觉传感器8随联接部件17一起转动。
电源系统包括激光蓄电池23和直流电源24。直流电源24主要用于给转台1、输入输出装置5及视觉传感器8供电。激光蓄电池23主要用于给激光部件2供电。
输入输出装置包括显示器27和输入装置28。显示器27通过hdmi接口接收工控机26信号，显示控制系统6控制界面；输入装置28用于输入操作人员的操作信息，发送给工控机26。
如图5所示，控制系统包括工控机26和控制驱动部件29。工控机26通过rs485串口发送命令给视觉传感器8，用于实现焦距、广角窄角、预置位图像参数改变；工控机26通过同轴电缆接收视觉传感器8图像及信息，识别线路和异物，得到异物位置信息反馈给控制驱动部件29；工控机26通过rs422串口与控制驱动部件29连接实现转台1转动切割；工控机26与输入输出装置5连接实现人机交互；控制驱动部件29位于方位部件9中的方位底座19中，通过方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12、俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)16分别接收方位部件9和俯仰部件10的角度信息，并通过rs422串口传给工控机26，同时接收工控机26信息控制方位部件9和俯仰部件10，进行两自由度运动。
通信模块包括无线发射模块30和无线接收模块，主要用于实现工控机26无线监控功能；通信模块具有无线唤醒功能和组网功能。
视觉传感器8固定安装在俯仰部件10的联接部件17上，跟随其一起转动，并实时采集前方图像信息通过同轴电缆传送给控制系统，并接收工控机26信号指令。
底座3位于装置的最底部，给整个装置提供稳定的支撑。
如图6所示，基于上述激光清除异物装置的模糊pid控制方法，包括如下步骤：
步骤1、确定位置偏差e和偏差变化率ec。
步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定pid控制参数的变化量。
如图6所示，以位置偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，通过模糊规则和模糊推理算出pid控制器三个参数的变化量δkp、δki、δkd与e、ec的模糊关系，具体实现如下：
步骤2.1、选择论域：输入量和输出量的论域是由传感器采集到的值决定的，若转台方位轴旋转角度范围是-90°～90°，设置输入偏差e和偏差变化率ec的基本论域为[-90,90]，pid控制器三个参数的变化量δkp、δki、δkd的基本论域为[-5,5]。为了使转台的控制精度更高，设置五个变量的量化等级为7级，即[-3，-2，-1，0，1，2，3]，则e和ec的量化因子为：
k＝90/3
pid调节参数变化量的比例因子为：
ku＝5/3
对应的模糊子集为[nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb]，子集中元素分别表示负大、负中、负小、0、正小、正中、正大；
步骤2.2、设置输入和输出的隶属度函数，建立模糊规则。
作为一种具体实施方式，系统中模糊变量的隶属度函数均采用线性三角形函数，如图7、8所示。确定了模糊变量的隶属度函数后，开始建立控制规则。
模糊的控制规则是由输入输出量以及相应的模糊推理构成的，控制规则的数量决定了系统的输出量的控制精度。根据pid控制特性可知，当误差e较大时，为了提高系统的响应速度，需要较大的控制信号并防止微分溢出，应该选择大的比例系数修正量δkp和小的微分系数修正量δkd，同时为了防止系统在运行过程中出现大的超调，δki应该取0。当偏差e较小时，为了提高系统的稳态性能，可以适当增大δkp和δki，考虑到系统的抗干扰能力，此时如果ec较小，适当增大δkd。当e的值适中时，为了减小系统超调，加快系统响应速度，应该选取小的δkp。基于以上控制经验可以建立模糊控制规则表，由于输入变量分别有7个模糊语言值，对应于每个输出量可以生成49条控制规则，模糊控制规则见表1、2、3。
表1δkp的模糊控制规则表
表2δki的模糊控制规则表
表3δkd的模糊控制规则表
步骤2.3、根据位置偏差、偏差变化率和模糊规则进行模糊推理，得到与pid控制参数变化量对应的模糊值。
作为一种具体实施方式，在matlab中设置好输入量以及相应的规则表，再采用mamdani推理法进行推理。该推理法根据输入量的模糊程度，通过以上建立的49条规则，对输入量采用相应的算法计算可以得到模糊控制器的输出量。
步骤2.4、对模糊值进行解模糊，确定pid控制参数。
常用的解模糊方法有三种：最大隶属度、中位数和重心法(cog)。最大隶属度法参考因素有局限，准确率较低，中位数法计算时间长，影响系统的实时性，所以作为一种具体实施方式，本发明采用使用最为广泛的重心法，得出输出论域上的实际参数变量值。重心法计算公式如下所示。
其中，u为pid控制参数的变化量，μ为输出量对子集的隶属度，μn(u)为与pid控制参数变化量对应的模糊值。
步骤3、根据控制参数变化量调整pid控制参数，对转台位置进行pid控制，使控制转台跟踪线缆。
本发明根据系统的误差和误差变化情况及时调整pid的控制参数，能够实现自动线缆跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。