航空光电吊舱陀螺稳定系统模糊PID控制

航空光电吊舱陀螺稳定系统模糊PID控制（精选2篇）

篇1：航空光电吊舱陀螺稳定系统模糊PID控制

模糊PID控制在光电跟踪控制系统中的应用

频率特性法和PID控制是光电跟踪控制系统中普遍采用的方法,对于稳态过程它们具有良好的控制性能,但对控制环境以及目标状态发生较大变化时却无法处理.介绍一种既能改善控制系统的过渡过程、减小超调量,又能保证系统跟踪精度的模糊PID控制算法,并给出了相应的`实验数据.实验结果表明,模糊PID控制可显著改善控制系统对高速动态目标的捕获跟踪能力,提高跟踪精度,增强系统的鲁棒性.

作 者：侯宏录 周德云 王伟 国蓉 HOU Hong-lu ZHOU De-yun WANG Wei GUO Rong  作者单位：侯宏录,HOU Hong-lu(西北工业大学,电子信息学院,陕西,西安,710072;西安工业大学,光电工程学院,陕西,西安,710032)

周德云,ZHOU De-yun(西北工业大学,电子信息学院,陕西,西安,710072)

王伟,国蓉,WANG Wei,GUO Rong(西安工业大学,光电工程学院,陕西,西安,710032)

刊 名：光电工程  ISTIC PKU英文刊名：OPTO-ELECTRONIC ENGINEERING 年，卷(期)： 33(5) 分类号：V556.5 关键词：光电跟踪系统   模糊PID控制   跟踪精度  

篇2：航空光电吊舱陀螺稳定系统模糊PID控制

针对机载光电测量仪器放的稳定性, 我们设计了一个两维的支撑平台稳像系统, 借助该系统吊舱可以完成搜索与跟踪两项基本任务[1]。

1 系统的组成

稳像系统由主体仪器、控制放大器和脱靶量计算单元三大部分组成, 如图1所示[2]:

主体仪器:对于稳像系统而言, 两轴支撑的常平架结构构成主体仪器。外环 (方位环) 垂直装设于基座上, 光电测量仪则装设在内环 (水平环) 上。正交处理内、外环的转动轴, 外环呈360°全周转动。将二自由度挠性陀螺仪分别装设在内、外环上, 借助锁定回路形成速率陀螺, 用以量测两轴转动的角速度。

控制放大器:控制放大器对两环上驱动电机转动的控制是根据操作指令和跟踪目标的脱靶量实现的, 确保隔离基座摇摆或测量仪的光轴始终锁定施测目标。

脱靶量计算单元:参照由光电跟踪仪测得的图像信息, 脱靶量计算单元用以计算目标的脱靶量, 处理结果输入控制器作为系统位置环的输入量。

2 系统的技术指标

框架运动范围:360全周转动, 上仰60, 下俯90°。

指令状态运动角速度和角加速度的最小值分别为30°/s、50°/s2;当载体正弦摇摆频率为0～3Hz, 幅值为2°时, 稳像精度均在200 (RMS) 以上。

3 建立系统控制模型

基于系统工作原理绘出图1所示的原理方块图:

PW M 功放:PW M 功放在系统工作于线性区时可视为比例环节, 其系数设为kM。

A/D转换:速度环的截止频率远远低于速度环的采样频率0.5ms, 可看成比例环节, 其系数设为kA。

在驱动电机和陀螺这两个环节需要分析传递函数, 忽略电枢中电流的波动性, 把直流力矩电机近似为线性元件[3], 计算得出转角与电压的传递函数:

S———Laplace算子

Ce———电机的反电势系数, V/rad/s

———电枢回路电磁时间常数

———电机的机电时间常数

系统中的陀螺是由二自由度挠性陀螺施加锁定回路后用来测量负载轴的转动角速度的。经计算得出陀螺角速度的传递函数为:

式中, s、kG、ξ和ωG分别表示Laplace算子、比例系数、阻尼比和截止频率。

4 稳像系统遗传算法PID控制

4.1 基于实数编码遗传算法的PID整定

为缩小参数取值范围, 先择取一组参数, 运用遗传算法围绕所选参数展开设计, 直接确定被控对象传递函数为:

采样时间1ms, 输入指令为阶跃信号。选择误差绝对值的时间积分性能指标作为参考的最小目标函数, 进而获取满意的过渡过程动态特性。将控制输入的平方项加在目标函数中, 把超调量视为最优指标, 以免控制能量超限制。此时的最优指标为:

式中, e (t) 、u (t) 、tu、y (t) 分别代表系统误差、控制器输出、上升时间和被控对象输出, w1, w2, w3, w4表示权值。

遗传算法中取25个运算样本, 交叉概率pc和变异概率pm分别为0.85和0.04。参数kp与ki, kd的取值范围分别是[0, 30]和[0, 1], w1=0.999, w2=0.001, w3=2.0, w4=100。经过100代进化, 优化参数为:PID整定结果为kp=28.1529, ki=0.1551, kd=0.2098性能指标j=10.835。整定后的PID控制阶跃响应如图2所示[4]。

4.2 基于二进制编码遗传算法的P ID整定

采样时间和输入指令同上。采用十位二进制编码串来表示决策变量kp, ki, kd。选取最优指标同十进制编码遗传算法的PID整定。选定25个样本, 交叉概率pc为0.60, 变异概率pm=0.001-[1:1:Size]*0.001/Size, 参数kp与ki, kd的取值范围分别是[0, 30]、[0, 1], w1, w2, w3, w4的取值同十进制编码遗传算法的PID整定。通过100代进化, 得出最优个体BestS=[001010010111101011000101000000], PID优化参数为:kp=19.358, kd=0.0098, ki=0.2102, 性能指标J=15.0376, 整定后的二进制遗传算法优化PID阶跃响应如图3所示。

5 结论

本文对光电吊舱稳像系统进行了遗传算法PID研究, 通过仿真实验对优化后的控制器进行检验, 其阶跃响应曲线平稳, 无超调量, 对系统的负载扰动具有良好的适应能力。

参考文献

[1]李文魁, 王俊璞, 金志华, 田蔚风.直升机机载光电吊舱的发展现状及对策[J].中国惯性技术学报, 2004, 12 (5) :75-80.

[2]谈振藩, 李庆.航空光电吊舱陀螺稳定系统研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2007.

[3]胡寿松.自动控制原理[M].第四版.北京:科学出版社, 2000.