沈佳琪，姚 力

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225001）

1 工作原理

控制系統(tǒng)的本質(zhì)是由各功能模塊進(jìn)行相互數(shù)據(jù)鏈接并形成反饋系統(tǒng)[1]，核心是數(shù)據(jù)處理和反饋校正流程，按照功能特性可分為五個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、反饋控制、部件響應(yīng)和通信模塊。數(shù)據(jù)采集指控制系統(tǒng)中的傳感器通過各自不同的特性進(jìn)行數(shù)據(jù)感知、解析和匯總，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)通信總線進(jìn)行傳遞；信號(hào)處理指控制系統(tǒng)核心處理單元對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定和適用的過程，輸出端為反饋控制模塊；反饋控制指通過控制算法的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)組件進(jìn)行控制操作，將輸出信號(hào)PWM傳送給驅(qū)動(dòng)器，控制穩(wěn)定平臺(tái)電機(jī)響應(yīng)；部件響應(yīng)為電機(jī)控制運(yùn)作；而通信模塊為各組件之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。本文將重點(diǎn)對(duì)反饋控制模塊進(jìn)行研究，對(duì)控制方式和控制算法進(jìn)行推導(dǎo)，建立完整的復(fù)合控制模型，達(dá)到穩(wěn)定平臺(tái)精準(zhǔn)控制的工程實(shí)用價(jià)值的目的。

2 控制方式

反饋控制模塊通過控制流程和控制算法完成正反饋和負(fù)反饋，其中控制流程中完善的控制方式和合理的組件搭配是提高控制精確性的主要途經(jīng)，本節(jié)將對(duì)控制方式中的穩(wěn)定回路、跟隨回路和校正回路原理進(jìn)行分析。

（1）穩(wěn)定回路。穩(wěn)定回路是最快速的反應(yīng)回路，也是穩(wěn)定平臺(tái)控制的中樞回路[2]，可在最短的時(shí)間內(nèi)保持平臺(tái)的穩(wěn)定狀態(tài)，由電流環(huán)和速率環(huán)為核心組成部件，采用感應(yīng)電阻和陀螺對(duì)控制環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息反饋，對(duì)其數(shù)據(jù)采集信息進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。電流環(huán)屬于快速微調(diào)穩(wěn)定環(huán)，而速率環(huán)則是穩(wěn)定控制的基準(zhǔn)調(diào)節(jié)環(huán)，通常處于基準(zhǔn)平衡調(diào)節(jié)狀態(tài)，二者配合可快速對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)的穩(wěn)定控制。

（2）跟隨回路。跟隨回路是控制系統(tǒng)的主動(dòng)任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，編碼器位移環(huán)為核心組成部件，是穩(wěn)定平臺(tái)性能狀態(tài)的主要體現(xiàn)，通常采用較為精準(zhǔn)的編碼器作為數(shù)據(jù)采集部件，執(zhí)行步驟分為數(shù)據(jù)采集、位移掃描和反饋修正，通過編碼器的位移鎖定可確定當(dāng)前位移狀態(tài)，通過編碼器位移轉(zhuǎn)換可進(jìn)行目標(biāo)位移跟隨和正向反饋數(shù)據(jù)響應(yīng)。

（3）校正回路。校正回路的本質(zhì)是通過圖像比對(duì)器或圖像跟蹤器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位、跟蹤、校正的控制回路，以圖像位移環(huán)為核心組成部件，主要依據(jù)圖像脫靶量和像素匹配點(diǎn)進(jìn)行控制，采用圖像比對(duì)器對(duì)控制環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息反饋，是控制系統(tǒng)的被動(dòng)任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

3 控制算法

提高控制系統(tǒng)的精度除了采取優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制方式，還有一種方法則是選擇控制精度更高的算法加強(qiáng)系統(tǒng)控制黏性。本節(jié)通過研究各控制算法的原理特性和優(yōu)缺特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合控制算法，提高控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

（1）傳統(tǒng)PID控制算法。此算法是經(jīng)典控制算法，其核心是直接對(duì)控制采用PID等效措施，通過比例、積分、微分的方式調(diào)整模型的控制閾值和當(dāng)前狀態(tài)值，進(jìn)行范圍、正負(fù)反饋數(shù)值變換，快速適應(yīng)后續(xù)任務(wù)的控制要求。優(yōu)點(diǎn)是邏輯簡(jiǎn)單、方式直接，可快速完成控制措施；缺點(diǎn)是控制的變化幅度較大，穩(wěn)定性較差，在臨界值會(huì)造成控制抖動(dòng)和反轉(zhuǎn)的錯(cuò)誤控制狀態(tài)。

（2）自適應(yīng)控制算法。自適應(yīng)控制算法是一種通過冗余數(shù)據(jù)的辨識(shí)和修正，不斷對(duì)預(yù)期值進(jìn)行數(shù)據(jù)歸攏和訓(xùn)練，以決策方式進(jìn)行數(shù)據(jù)判定和界定，通過規(guī)則的適用性不斷改進(jìn)狀態(tài)參數(shù)，以達(dá)到滿足一定要求控制變量的控制算法。其核心設(shè)計(jì)為決策機(jī)構(gòu)、修正機(jī)構(gòu)和辨識(shí)策略的自適應(yīng)判別。

自適應(yīng)控制算法優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)控制平滑、數(shù)據(jù)延展性和魯棒性較好、數(shù)據(jù)控制期望值較高；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)完整性較差，數(shù)據(jù)突變性減弱，大范圍變化會(huì)導(dǎo)致控制部分缺失，控制反應(yīng)較慢。

（3）模糊控制算法。模糊控制算法又稱仿生控制算法，依托先驗(yàn)信息進(jìn)行一定范圍的數(shù)據(jù)推導(dǎo)并形成模糊規(guī)則，將控制變量和處理數(shù)據(jù)進(jìn)行隸屬分類模糊化，進(jìn)行最直接的控制范圍確認(rèn)，最終通過反變化得到解模糊后的控制數(shù)據(jù)，核心是模糊推理和模糊量類比區(qū)分，原理如圖1所示。

圖1 模糊控制算法流程圖

設(shè)模糊量E的輸入集合為，量化分類參數(shù)為，則：

知識(shí)庫(kù)即為先驗(yàn)信息，在一定的模糊化數(shù)據(jù)解析過程中，將變量數(shù)據(jù)進(jìn)行推理換算，同時(shí)加入量化分類參數(shù)對(duì)其進(jìn)行模糊區(qū)分，本文選擇較為常用的加權(quán)平均法和累加乘積方式進(jìn)行解模糊變化，對(duì)量化分類參數(shù)進(jìn)行精確量確認(rèn)，設(shè)精確量U的輸出集合為，則：

模糊控制算法的優(yōu)點(diǎn)是通過先驗(yàn)信息快速、有效地對(duì)控制量變化進(jìn)行判斷和修正，在先驗(yàn)信息準(zhǔn)確的情況下數(shù)據(jù)跳變狀態(tài)較為平穩(wěn)；缺點(diǎn)是在模糊化和解模糊化時(shí)不在模糊隸屬參數(shù)規(guī)定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)將丟失，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)償和模糊量化參數(shù)的修正和擴(kuò)展。

（4）復(fù)合控制算法。復(fù)合控制算法的本質(zhì)是一種將各單源控制算法的優(yōu)點(diǎn)處理方式進(jìn)行綜合，采取直接進(jìn)行PID控制，自適應(yīng)調(diào)整并修正配置參數(shù)，以模糊控制算法為流程設(shè)計(jì)的方式對(duì)各控制算法進(jìn)行有機(jī)的數(shù)據(jù)融合策略的綜合控制算法。在控制數(shù)據(jù)處理過程中，對(duì)量化參數(shù)、隸屬數(shù)據(jù)集配比參數(shù)、模糊先驗(yàn)信息置信度參數(shù)等進(jìn)行自適應(yīng)控制和修正，以模糊推理進(jìn)行模糊規(guī)則確定，采用模糊化和解模糊化的方式對(duì)PID控制數(shù)值進(jìn)行精確性控制。在復(fù)合控制算法的實(shí)際操作中，主要分為四部分流程：第一，對(duì)實(shí)際受控輸入數(shù)據(jù)按照模糊控制機(jī)理進(jìn)行模糊化，并在先驗(yàn)信息中進(jìn)行模糊推理，確定模糊規(guī)則；第二，對(duì)控制變量和控制參數(shù)按照自適應(yīng)辨識(shí)策略要求進(jìn)行數(shù)值匹配，調(diào)整PID控制參數(shù)，對(duì)補(bǔ)償數(shù)據(jù)和過調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行判定和修正，加載冗余信息和隸屬函數(shù)范圍量；第三，對(duì)自適應(yīng)期望值進(jìn)行更新，對(duì)置信參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，按照解模糊化流程對(duì)PID控制量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；第四，將調(diào)整后的PID控制量值輸出，并將調(diào)整量值反饋到模糊控制規(guī)則中，進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)和閾值控制。得到的PID精控制量值計(jì)算公式如下：

圖2 變量的模糊控制隸屬范圍模型圖

4 算法仿真

本節(jié)在同一數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過類比的方式對(duì)復(fù)合控制算法的狀態(tài)和優(yōu)勢(shì)進(jìn)行實(shí)際的算法仿真測(cè)試，采用直觀性較強(qiáng)的階躍信號(hào)進(jìn)行控制算法效果對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)置俯仰角為靜止標(biāo)校零位，通過突變?cè)跀?shù)據(jù)記錄時(shí)間位產(chǎn)生偏移量為1°的階躍響應(yīng)，產(chǎn)生時(shí)長(zhǎng)為3 s，依次將各控制算法和復(fù)合控制算法進(jìn)行軟件編程并燒錄進(jìn)控制器中，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)通過通信總線導(dǎo)出，在仿真軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)和多點(diǎn)描繪，按10 ms的頻率周期進(jìn)行點(diǎn)位串聯(lián)，可得到不同算法的仿真實(shí)驗(yàn)圖如圖3所示。

圖3 階躍響應(yīng)算法類比試驗(yàn)圖

由圖3可知，從階躍響應(yīng)時(shí)間記錄點(diǎn)開始，真實(shí)偏移是一個(gè)持續(xù)3000 ms的1°偏移曲線，傳統(tǒng)PID控制算法響應(yīng)迅速，但由于其控制精度差，所以在階躍響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生了較為明顯的跳變反應(yīng)；模糊控制算法雖受模糊的反變化效應(yīng)很好地降低了跳變沖量，但由于其控制是建立在去除范圍之外數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以數(shù)據(jù)量不完整，隨著時(shí)間的延續(xù)和先驗(yàn)信息的不完整，穩(wěn)定度較低，控制量將會(huì)不斷振蕩；復(fù)合控制算法較好的規(guī)避了前兩者的控制問題，反應(yīng)迅速，收斂性強(qiáng)，且無跳變反應(yīng)，由于自適應(yīng)的不斷修正，隨著時(shí)間的延續(xù)控制量趨于期望值，控制精度高，達(dá)到了控制算法研究的預(yù)期測(cè)試目標(biāo)。

5 環(huán)路測(cè)試

環(huán)路測(cè)試選取穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰軸進(jìn)行實(shí)際控制環(huán)路測(cè)試，保證雙框架其余轉(zhuǎn)向角的共振要求，平衡速率回路和位移回路的偏移量影響，將穩(wěn)定回路設(shè)置為一階慣性測(cè)量環(huán)節(jié)，無過頻變量和超調(diào)變量干擾，關(guān)閉校正系統(tǒng)的數(shù)據(jù)截取，選取最大范圍的數(shù)據(jù)集作為穩(wěn)定測(cè)量數(shù)據(jù)集。本文只針對(duì)俯仰軸的穩(wěn)定回路進(jìn)行復(fù)合控制算法環(huán)路測(cè)試，不考慮其他模型影響，研究并分析穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度。設(shè)置穩(wěn)定平臺(tái)俯仰軸以正弦波的方式進(jìn)行振動(dòng)，振動(dòng)的頻率為1 Hz，持續(xù)振動(dòng)5 s，偏移弧度值為8×10-4rad，將振動(dòng)期間的控制輸出值進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按照數(shù)據(jù)采集原點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，可得指向精度數(shù)據(jù)記錄如圖4所示。

圖4 控制穩(wěn)定指向精度示意圖

同時(shí)，在俯仰軸進(jìn)行穩(wěn)定控制時(shí)，確定其相頻特性可知，在1 Hz的振動(dòng)干擾下，控制變量較實(shí)際量值有時(shí)序差，但不影響修正變量的幅值特性，在帶寬為118 Hz的穩(wěn)定環(huán)控制過程中，其增益功率為-2.97 dB，指向精度的范圍不超過實(shí)際測(cè)量值的85%，則穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰軸穩(wěn)定回路頻率特性分析如圖5所示。

圖5 頻域拐點(diǎn)特性示意圖

由圖4和圖5可知，環(huán)路測(cè)試在時(shí)域和頻域過程中滿足復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)的穩(wěn)定精度，證明了復(fù)合控制算法的精確性和復(fù)合控制模型的適用性。

6 結(jié)束語

本文從整體闡述了復(fù)合控制模型的工作原理和控制方式，采用一種新型的復(fù)合控制算法提高了控制模型的實(shí)際控制精度和穩(wěn)定性，通過算法仿真和環(huán)路測(cè)試證明了算法和模型結(jié)構(gòu)的正確性和適用性，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值?！?/p>