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

【技術領域】
[0001]本發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定回路的模糊控制方法。

【背景技術】
[0002]光電跟蹤器能隔離載體(導彈、飛機、戰車、艦船)擾動，通過圖像探測設備實時測量光電跟蹤器視軸與動目標之間的脫靶量，驅動光電跟蹤器朝脫靶量減小的方向轉動，以此實現對機動目標的跟蹤。要精確測量脫靶量，保持光電跟蹤器視軸穩定是前提，因此設計品質良好的視軸穩定回路顯得尤為重要。
[0003]光電跟蹤器視軸穩定回路采用陀螺穩定平臺結構，其中控制器、電機驅動器、電機、負載平臺依次連接構成穩定回路的前向通路，陀螺感應輸出的角速率信號后以及經過數字濾波器一起構成反饋回路，目前，光電跟蹤器視軸穩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構，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，輸出端的輸出信號為控制信號，模糊控制結構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構構成，其中，量化因子負責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。模糊推理結構則需要設定輸入輸出信號的論域、隸屬度函數以及模糊控制規則。
[0004]現有的光電跟蹤器視軸穩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、模糊控制規則以及解模糊化方法存儲到控制器中，構建得到模糊控制器；
[0006]2.開啟光電跟蹤器視軸穩定回路，向光電跟蹤器視軸穩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按照設定的模糊控制規則進行max-min映射，得到輸出信號的模糊表達，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，輸出值驅動后續執行機構實現對光電跟蹤器跟蹤速度的控制。
[0008]現有的光電跟蹤器視軸穩定回路的模糊控制方法具有簡單、動態響應快、不依賴受控對象精確數學模型等優點，但是也存在以下問題:
[0009]一、模糊控制本質上是插值器，插值機理表明有限的模糊控制規則不具有完備性，進而影響控制精度，除此之外模糊控制還缺少積分調節，其控制存在著固有靜差，基于以上兩點，光電跟蹤器視軸穩定回路采用模糊控制會造成穩定精度不夠高；
[0010]二、模糊控制須經過對輸入變量進行模糊化、模糊推理以及解模糊化之后才能輸出控制量，考慮實際應用于光電跟蹤器視軸穩定回路時，這一過程將耗費較大計算量，不利于控制系統的實時性；
[0011]三、模糊控制在確定了控制規則以及隸屬度函數之后，其控制結構就已經確定，而當光電跟蹤器視軸穩定回路工作在強非線性因素以及隨機干擾作用下時，傳統模糊控制不具備自適應功能，視軸穩定回路控制器相關特征參數不能隨變，這就造成當控制器輸入變化劇烈時視軸穩定回路對輸入信號的跟蹤效果下降，無法有效抵抗突發干擾。


【發明內容】

[0012]本發明所要解決的技術問題是提供一種光電跟蹤器視軸穩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定精度和控制實時性，并且能提聞光電跟蹤器視軸穩定回路在干擾作用下的快速動態響應能力。
[0013]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:
[0014]一種光電跟蹤器視軸穩定回路的模糊控制方法，包括以下步驟
[0015]①.構建初始模糊控制器:
[0016]①-1.構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都劃分為七個連續的模糊集合，分別是代表負大的NB、代表負中的匪、代表負小的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，兩個量化因子都取1，采用的模糊控制規則如下表所示，
[0018]表1.控制規則集
[0019]

【權利要求】
1.一種光電跟蹤器視軸穩定回路的模糊控制方法，其特征在于包括以下步驟: ①.構建初始t吳糊控制器: ①-1.構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都劃分為七個連續的模糊集合，分別是代表負大的NB、代表負中的匪、代表負小的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，兩個量化因子都取1，采用的模糊控制規則如下表1所示， 表1.控制規則集
采用的隸屬度函數如下: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定回路使其進入工作狀態，對光電跟蹤器視軸穩定回路輸入j(j≥100)次幅值在(-lrad/s，lrad/s)范圍內隨機的角速率信號，采集光電跟蹤器視軸穩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，以點集A作為列，點集B作為行構建一張空白的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按照設定的模糊控制規則進行max-min映射，得到輸出信號的模糊表達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的 最大值，點集A和B中的數據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中數據



與對應的控制器輸出數據按序存入按步驟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 ,確定輸出調整因子
，將七個未知參數(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以及輸出調整因子β的七個參數(τ 1、T 2> Τ 3> Τ 4> ε 1、￡ 2> ￡ 3)進行粒子群尋優，包括以下步驟: ②-1.確立初始模糊控制器后，設定粒子種群數為M (Μ ^ I)，迭代次數為Ν(Ν > I)，粒子群尋優空間維數為7 ； ②-2.建立粒子群尋優適應度函數fitness，該函數由階躍響應的超調量、穩態誤差、上升時間以及調整時間組合而成，表達式為:
式中，t 為仿真時間，(200ms ^ t ^ 1000ms), e (t)表示階躍響應與輸入的差值，Mp表示階躍響應的超調量，
其中y_表示階躍響應的峰值，_表示階躍響應的穩態值，tr表示階躍響應的調整時間，t,等于階躍響應值從穩態值的10%上升到穩態值90%所需的時間，ts表示階躍響應的調整時間，ts等于從t = O開始計時階躍響應值與階躍信號值之間的偏差達到2%時所經歷的暫態過程時間，ki~k5表示對應評價指標對適應度函數的貢獻度，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定回路輸入幅值為I的階躍信號，采集光電跟蹤器視軸穩定回路輸出信號，輸入信號減去光電跟蹤器視軸穩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據(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進行擴張后，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過比例因子Y放大，再通過輸出調整因子β進行調整后作為初始模糊控制器的輸出，然后驅動后續的執行機構，最后得到光電跟蹤器視軸穩定回路輸出的階躍響應信號，如果求取初始化粒子群的局部最優粒子和全局最優粒子，則轉至第②-6步，否則轉至第②-7步；②-6.分析階躍響應信號并提取超調量、穩態誤差、上升時間以及調整時間，按照fitness函數計算出該粒子的適應度函數值,并記錄該粒子對應的適應度函數值，回到第②-3步開始計算下一個粒子的適應度函數值，直到完成對第M個粒子的計算，記錄這M次計算的最小適應度函數，每個粒子的初始化值即為初始粒子群的局部最優粒子Ppb，最小適應度函數值對應的粒子即為全局最優粒子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； ②-7.找到上一個粒子或上一次尋優時粒子群中的局部最優粒子Ppb以及全局最優粒子Pgb后，需對粒子群中的其他粒子進行迭代尋優，按以下公式更新該次第i(i為不大于M的正整數)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)為粒子當前速度，Pi (η+1)更新后的粒子位置，Pi (η)為粒子當前位置，w為飛行慣性權值，Γι和r2為[O，I]的隨機數，Cl和c2是學習因子； 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表示當前粒子的空間位置向量，Zi表示當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步獲得的階躍響應并提取超調量、穩態誤差、上升時間以及調整時間，然后依照fitness函數求出該粒子的適應度函數值，每次更新完一個粒子，通過與上一個粒子的適應度值進行比較，尋找并記憶粒子群目前的局部最優粒子Ppb以及全局最優粒子 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，尋完M個粒子后就結束了此次尋優然后跳轉到②-11進行下一次的尋優，尋完一個粒子就記憶每個粒子目前的局部最優粒子Ppb以及當前粒子群的全局最優粒子Pgb ； ②-11.下一次粒子群尋優從②-3步開始，直到尋滿設定的N次為止，尋完N次就結束了粒子群尋優，第N次尋優得到的全局最優粒子pgb final即為第一輸入伸縮因子a 1、第二輸入伸縮因子α 2以及輸出調整因子β的待確定七個參數(τ τ 2，τ 3，τ 4，ε ^ ε 2，ε 3); ③.模糊控制器參數尋優完成 將步驟②得到的最優第一輸入伸縮因子Ci1、第二輸入伸縮因子^2以及輸出調整因子β的待確定七個參數(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，得到最優模糊控制器； ④開啟光電跟蹤器視軸穩定回路，對光電跟蹤器視軸穩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，輸入角速率信號經過最優模糊控制器的輸出后經過PWM伺服驅動器后轉化為脈寬調制信號(PWM信號)，該信號驅動電機帶動負載平臺產生角速度，即光電跟蹤器視軸穩定回路的輸出，從而實現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 優先權日:2014年7月30日
【發明者】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發展有限公司