激光通信技術論文(2)
激光通信技術論文篇二
激光通信中平臺擾動抑制技術的研究
該文設計了模糊自適應PID控制器，并應用于復合軸粗跟蹤伺服單元，同時與超前滯后控制方法進行了仿真對比。結果表明，在粗跟蹤伺服單元閉環帶寬、諧振峰值以及諧振頻率相近的前提下，采用模糊自適應PID控制方法的粗跟蹤伺服單元對平臺擾動的抑制效果優于超前滯后控制方法。
PID;平臺擾動;模糊控制;自適應
【作者簡介】王世森(1986—)男，現為長春理工大學光學工程專業在讀碩士研究生;主要從事光電測控技術與儀器方面的研究。
空間激光通信系統中，為了獲得高的跟蹤高精度而采用復合軸控制，其中粗跟蹤伺服單元完成捕獲與初步跟蹤，并對平臺擾動的低頻部分進行抑制;精跟蹤伺服單元對粗跟蹤伺服單元的殘差進行進一步抑制，從而達到高精度跟蹤。研究表明，平臺擾動是影響跟蹤精度的主要因素之一。作為復合軸伺服系統的重要組成部分，如何對低頻擾動進行更有效的抑制對于復合軸系統是至關重要的。
本文采用模糊自適應PID對主軸進行設計，通過模糊推理自動在線進行三個參數的調整。同時與超前滯后控制方法進行了仿真對比。結果表明，在粗跟蹤伺服單元閉環帶寬、諧振峰值以及諧振頻率相近的前提下，模糊自適應PID對平臺低頻擾動的抑制效果優于超前滯后控制方法。
1.粗跟蹤伺服單元系統結構
主軸執行器采用二軸轉臺，俯仰軸與方位軸采用速度-位置雙閉環控制，位置環采用光電編碼器進行位置反饋，速度信息通過對光電編碼器信息進行差分計算得到，由于差分運算對噪聲敏感，因此在進行差分前需進行簡單濾波處理。單軸控制系統框圖如圖1所示。系統速度環采用頻域特性法進行補償控制，位置環采用模糊自適應PID控制器進行控制。未校正速度環的傳遞函數為：
2.模糊自適應PID控制器的設計
A.模糊自適應PID控制器的結構
PID參數模糊自適應系統結構主要由參數可調整PID和模糊控制系統兩部分組成，其結構如圖2所示。在常規PID控制器的基礎上，以誤差||和誤差變化率||作為輸入，采用模糊推理方法對PID參數進行在線調整，以滿足不同||，||對控制器參數要求，而使被控對象具有良好的動、靜態性能。
B.模糊PID控制器隸屬函數及規則
模糊語言變量||、||、的語言值分為{Z，PS，PM，PB}四個等級;隸屬度函數采用相同的結構形式,如圖3所示。 的論域范圍為[0,2e-4], 的論域為[0,1e-4]、的論域為[0,8000]、的論域為[0,0.2]、的論域為[0,60]。
模糊控制器的推理規則共有16條，的規則圖如圖4所示。
3.模糊自適應PID控制方法的仿真
A.模糊自適應PID控制系統的組成
模糊自適應PID控制系統仿真框圖主要分為等效正弦輸入、平臺擾動信號源、模糊自適應PID控制器，主軸速度環開環模型。其中，模糊自適應PID控制器的內部結構如圖7所示。
圖6 模糊自適應PID控制器的內部結構圖
B.模糊自適應PID系統辨識
為了使兩系統具有可比性，盡可能使二者的閉環帶寬、諧振峰值、諧振頻率接近。采用單位脈沖響應作為系統的激勵信號，輸入信號的時域及頻譜圖如圖7所示。
圖7 激勵信號及頻譜圖
由圖7可見輸入信號的頻率在[0，5kHz]范圍內，且各個頻率點功率相同。采用該信號分別對采用超前滯后控制法、模糊PID控制法的系統進行激勵，通過辨識后得到系統閉環幅頻特性響應曲線如圖8所示。由圖8可知兩系統的閉環帶寬接近，前者帶寬在152rad/s左右，后者帶寬略高于前者，約為172rad/s;二者的諧振峰值以及諧振峰值對應的諧振頻率基本相同。
圖9為系統誤差傳遞函數的幅頻響應曲線對比圖。雖然二者帶寬較為接近，但是從誤差傳遞函數的幅頻響應曲線上可以看出二者的抑制帶寬具有很大的差距，采用模糊自適應PID方法的粗跟蹤伺服單元，其抑制帶寬明顯高于采用超前滯后方法的。按照頻域特性法設計的系統，其誤差傳遞函數以及開環傳遞函數可以近似認為是由一系列不同斜率的直線組成的，斜率變化處為轉折頻率。而對于本文采用模糊自適應PID方法設計的系統，其誤差傳遞函數在低頻段為一變斜率曲線，斜率從低頻至高頻逐漸變大，正是由于斜率的變化，才使得采用模糊PID控制方法的粗跟蹤伺服單元的抑制帶寬要高，并且在誤差曲線諧振頻率以下，相同頻率處其對誤差抑制的能力更強。
圖8給出了傳統PID控制方法與模糊自適應PID控制方法的階躍響應。從階躍響應可以看出，模糊自適應PID有更短的上升時間，更小的超調，更少的震蕩次數，更快的收斂速度。
C.對平臺擾動抑制能力的仿真
設計了三種具有不同振動特性的平臺擾動信號，并分別對三種不同的平臺擾動進行仿真。平臺1振動信號及其功率譜如圖所示，該平臺擾動信號以低頻分量為主，帶有一定的高頻分量，低頻分量主要分布在[0，1Hz];平臺2振動信號及其功率譜如圖所示，相對于平臺1而言，其具有更高功率的低頻擾動與較高功率的高頻擾動;平臺3振動信號主要分布在[0，20Hz]的范圍內，相對于平臺1，其具有較低功率的低頻擾動分量，更高的高頻擾動分量。分別經過采用超前滯后與模糊自適應PID方法的粗跟蹤伺服單元的抑制后，系統誤差、功率譜分別如圖所示。
對于平臺1的擾動，模糊自適應PID將擾動抑制在[-100dB， -200dB]范圍內，超前滯后方法則將擾動抑制在[-80dB， -150dB]范圍內。對于平臺2的擾動，模糊自適應PID將擾動抑制在[-80dB， -160dB]范圍內，超前滯后方法則將擾動抑制在[-65dB， -140dB]范圍內。從時域圖上看，超前滯后方法的誤差中低頻分量峰值為1mrad，與模糊自適應PID相差近10倍;對于平臺3的擾動，二者的頻譜較為接近，但超前滯后方法對擾動的高頻具有很強的抑制，而模糊自適應PID對擾動的低頻部分抑制效果很好。
兩系統誤差的統計直方圖分別如圖所示。圖中各圖橫坐標范圍為[-5e-3，5e-3]。通過直方圖對比兩伺服單元跟蹤效果，可以看出采用模糊自適應PID方法的粗跟蹤伺服單元，其誤差分布更為集中;但是隨著平臺擾動高頻成分的增加，兩系統誤差分布均逐漸分散。
4.結束語
在系統帶寬、閉環傳遞函數諧振峰值、諧振頻率接近的條件下，采用模糊自適應PID控制方法的系統對階躍響應具有更快的收斂速度，對所設計的不同平臺擾動的跟蹤誤差具有更集中的分布。
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