畢永利,王中鮮

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 控制理論與制導(dǎo)技術(shù)中心,哈爾濱 150001;2.黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱 150080)

0 引 言

近幾年來(lái),光電穩(wěn)定平臺(tái)被廣泛地應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和公安、消防及環(huán)境監(jiān)控等民用領(lǐng)域,它是一個(gè)集光、機(jī)、電于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。目前較先進(jìn)的光電穩(wěn)定平臺(tái)一般裝有電視攝像機(jī)、紅外熱像儀、激光測(cè)距機(jī)3套探測(cè)設(shè)備,配置比較齊全,這樣利用1臺(tái)光電穩(wěn)定平臺(tái)就能實(shí)現(xiàn)全天候工作。平臺(tái)在工作中:①要能隔離外界各種擾動(dòng)(例如載體角振動(dòng)、摩擦力矩、風(fēng)阻力矩、線繞力矩、框架間耦合力矩、質(zhì)量不平衡力矩等),保證平臺(tái)中傳感器視軸穩(wěn)定;②要能跟隨被跟蹤的目標(biāo)運(yùn)動(dòng),使光電傳感器視軸始終精確指向目標(biāo),以完成對(duì)目標(biāo)的捕獲、跟蹤及測(cè)量。因此,光電穩(wěn)定平臺(tái)中穩(wěn)定與跟蹤控制精度是一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。目前,光電穩(wěn)定平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用基于經(jīng)典控制理論的設(shè)計(jì)方法,在設(shè)計(jì)出校正裝置的傳遞函數(shù)后,用沖激不變法、零階保持器法或雙線性變換等方法,將連續(xù)的校正裝置傳遞函數(shù)離散化,從而獲得相應(yīng)的數(shù)字控制算法。在速率穩(wěn)定環(huán)采用經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上,在跟蹤環(huán)中本文提出了一種基于遺傳算法的模糊控制策略,充分利用了模糊控制不需要建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,且控制靈活,魯棒性強(qiáng),具有逼近任何非線性函數(shù)能力的特點(diǎn),并通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性,為光電穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤精度的提高進(jìn)行一種有益的嘗試。

1 跟蹤方式下控制系統(tǒng)組成

光電穩(wěn)定平臺(tái)的跟蹤模式一般分為手動(dòng)跟蹤和自動(dòng)跟蹤兩種方式。手動(dòng)跟蹤方式是通過(guò)操作手操縱單桿對(duì)感興趣的目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、測(cè)量及辨識(shí),跟蹤精度的高低取決于操作手的熟練程度。自動(dòng)跟蹤方式是在跟蹤器捕獲目標(biāo)后,根據(jù)其給出的脫靶量進(jìn)行跟蹤,跟蹤精度取決于跟蹤控制器的性能。因此,可以設(shè)想利用熟練操作手的豐富經(jīng)驗(yàn),提煉出控制思想(語(yǔ)言),利用模糊控制所具有的特點(diǎn),完成自動(dòng)跟蹤控制器的設(shè)計(jì)。多傳感器、多框架光電平臺(tái)在自動(dòng)跟蹤方式下控制系統(tǒng)的組成框圖見(jiàn)圖1。

它由電視跟蹤器、紅外跟蹤器、電視和紅外信號(hào)正割補(bǔ)償環(huán)節(jié)、電視和紅外跟蹤回路校正放大、速率穩(wěn)定回路校正放大、PWM環(huán)節(jié)、被控對(duì)象、陀螺信號(hào)預(yù)處理、A/D采集、陀螺信號(hào)正割補(bǔ)償?shù)拳h(huán)節(jié)組成。

圖1 自動(dòng)跟蹤方式下控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of control system under automatic tracking mode

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟蹤方式下基于遺傳算法的跟蹤環(huán)模糊控制器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 基于遺傳算法的模糊控制器框圖Fig.2 Block diagram of fuzzy controller based on GA

圖中偏差e及其微分△e通過(guò)比例因子SE和SD調(diào)整后,作為模糊控制器的兩個(gè)輸入變量E和△E。比例因子(SE、SD、SC)的調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)模糊控制器的關(guān)鍵,當(dāng)模糊控制器控制策略確定后,可以通過(guò)遺傳算法獲得最優(yōu)的比例因子。

現(xiàn)在建立一個(gè)模糊機(jī)。模糊控制器的輸入、輸出變量都是精確量,模糊推理是針對(duì)模糊量進(jìn)行的,因此,控制器首先要對(duì)輸入量進(jìn)行模糊化處理。在所設(shè)計(jì)的模糊控制器中,輸入變量(E和Δ E)均分為7個(gè)語(yǔ)言值:{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB},子集中元素分別代表{-1、-2/3、-1/3、0、1/3、2/ 3、1}。隸屬度函數(shù)采用靈敏性強(qiáng)的三角函數(shù)形式,見(jiàn)圖3。因此,一個(gè)完整的模糊規(guī)則由49個(gè)IFTHEN語(yǔ)言構(gòu)成。為簡(jiǎn)便起見(jiàn),輸出變量(U*)同樣分為7個(gè)語(yǔ)言值:{NB(-1)、NM(-2/3)、NS (-1/3)、ZO(0)、PS(1/3)、PM(2/3)、PB(1)},其隸屬度函數(shù)見(jiàn)圖4。

模糊控制設(shè)計(jì)是總結(jié)工程技術(shù)人員的知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),參數(shù)的整定規(guī)則是控制器的核心,需要建立合適的模糊整定規(guī)則表。本文建立了一種對(duì)稱的模糊整定規(guī)則表,見(jiàn)表1,其中m3、m2和m1分別為1、2/3和1/3。

表1 對(duì)稱的模糊整定規(guī)則表Table 1 Symmetric fuzzy regulation

對(duì)輸入的偏差E及其微分 Δ E,在取得相應(yīng)的語(yǔ)言值后,根據(jù)整定規(guī)則表,經(jīng)過(guò)模糊推理后,將修正參數(shù)進(jìn)行去模糊化取得精確量,以計(jì)算輸出控制量。去模糊化有幾種常用方法,如最大隸屬度法、重心法等,對(duì)本文控制器,采用重心法求取輸出量的精確值。

為了獲得最優(yōu)比例調(diào)節(jié)因子,采用遺傳算法進(jìn)行調(diào)節(jié)。遺傳算法具體步驟為:

將初始數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化為二進(jìn)制編碼,初代種群產(chǎn)生之后,按照適者生存和優(yōu)勝劣汰的原理,逐代演化產(chǎn)生越來(lái)越好的近似解。在每一代中,根據(jù)問(wèn)題域中個(gè)體的適應(yīng)度大小選擇個(gè)體,并借助于自然遺傳學(xué)的遺傳算子進(jìn)行組合交叉和變異,產(chǎn)生出代表新的解集的種群。在這個(gè)過(guò)程中將導(dǎo)致種群像自然進(jìn)化一樣的吼聲代種群比前代更加適應(yīng)于環(huán)境,末代種群中的最優(yōu)個(gè)體經(jīng)過(guò)解碼,就可以作為問(wèn)題的近似最優(yōu)解,具體流程見(jiàn)圖5。

圖5 遺傳算法流程圖Fig.5 Flowchart of genetic algorithm

為了獲得最優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo),采取IAE為最適應(yīng)度函數(shù)(目標(biāo)函數(shù)),即:J

3 仿真及分析

在速率穩(wěn)定環(huán)良好設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,在仿真跟蹤環(huán)時(shí)可將速率穩(wěn)定環(huán)等效為小時(shí)間常數(shù)慣性環(huán)節(jié)。同時(shí),要注意模擬跟蹤器脫靶量處理、傳輸?shù)难訒r(shí)以及脫靶量通訊傳輸速率等因素的影響。具體仿真參數(shù)如下:

;脫靶量總延時(shí):φ=-4ω;遺傳算法:初始種群數(shù)為30,交叉近似度為0.9,變異近似度為0.033,總代數(shù)為100;跟蹤最大速度v=10°/s、最大加速度a=5°/s2;最大2個(gè)碼均勻分布脫靶量量化噪聲和隨機(jī)擾動(dòng)。穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差(RMS)＜0.05°。在考慮模糊控制策略時(shí),采用了可變論域,當(dāng)位置誤差接近系統(tǒng)精度要求時(shí),自動(dòng)切換到小論域進(jìn)行控制,以提高穩(wěn)態(tài)性能。跟蹤誤差曲線見(jiàn)圖6。最大跟蹤誤差0.072°,最小跟蹤誤差-0.074°,穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差(RMS)0.039°?？梢?jiàn),滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)要求。

圖6 跟蹤誤差曲線Fig.6 Curve diag ram of tracking error functions

4 結(jié) 語(yǔ)

仿真結(jié)果表明,基于遺傳算法的模糊控制策略用于光電穩(wěn)定平臺(tái)跟蹤環(huán)控制系統(tǒng)是完全可行的,其跟蹤性能優(yōu)于經(jīng)典控制算法,且對(duì)被控對(duì)象模型的變化不敏感,具有更好的魯棒性。為了得到性能更好的模糊控制器,應(yīng)當(dāng)通過(guò)對(duì)真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)際操作得到準(zhǔn)確的系統(tǒng)描述語(yǔ)言、隸屬函數(shù)和控制規(guī)則。

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