摘 要：隨著被測目標(biāo)速度和加速度的提高，對光電跟蹤伺服系統(tǒng)的快速捕獲能力也提出了越來越高的要求。采用經(jīng)典控制方法不能完全滿足工程需求。本文設(shè)計(jì)了一種比例因子自調(diào)整二維模糊控制器加入到光電跟蹤伺服系統(tǒng)中。仿真結(jié)果表明，伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能有了很大的提高。 關(guān)鍵詞：模糊控制; 比例因子自調(diào)整; 動態(tài)性能 Abstract：The high ability of opto-electronic tracking servo system to tracking and acquiring fast moving targets is required ,along with the rapid enhancement of target speed and acceleration .In present，classic control was used to improve dynamic performance and result was achieved to some extension ,but not enough to engineering project .So the scale gene self-tuning two-dimensional fuzzy controller is applied to opto-electronic tracking servo system .The results show that the dynamic performance of servo system is enhanced greatly. Key word：fuzzy control;scale gene self-tuning;dynamic performance 引言： 　　近年來，人們廣泛的將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域。它以其不依靠被控對象的精確數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)性好、系統(tǒng)魯棒性好以及易于實(shí)現(xiàn)無超調(diào)控制[1]而受到業(yè)內(nèi)人士青睞。尤其是二維模糊控制器，以其設(shè)計(jì)相對簡單，控制精度較高而備受矚目。本文在經(jīng)典控制方法的基礎(chǔ)上，加入比例因子自調(diào)整二維模糊控制器構(gòu)成一種伺服控制系統(tǒng)模型，通過編寫M文件的S函數(shù)來進(jìn)行經(jīng)典控制方法和模糊控制器之間的切換，仿真結(jié)果表明，光電跟蹤伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能有很大改善。 一、光電跟蹤伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 　　光電跟蹤伺服系統(tǒng)屬于雙閉環(huán)單輸入單輸出位置隨動系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。本文針對的控制對象是光電跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺，其傳遞函數(shù)是： 　　 　　速度環(huán)和位置環(huán)的控制器利用超前-滯后補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)，閉環(huán)系統(tǒng)的主要組成環(huán)節(jié)可以參見參考文獻(xiàn)[2]，這里不再詳述。 二、模糊控制器設(shè)計(jì) 　　控制系統(tǒng)工具箱（Control System Toolbox）是MATLAB軟件包中的專門針對控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的函數(shù)和工具的集合。該工具箱提供了豐富的算法程序以完成一般控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和建模。 　　SIMULINK是用來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境，通過SIMULINK提供的豐富功能塊，可以迅速地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。模糊邏輯工具箱，利用基于模糊邏輯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，通過GUI，可以完成模糊控制推理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程，利用簡單的模糊規(guī)則對復(fù)雜的系統(tǒng)行為進(jìn)行建模，然后將這些規(guī)則應(yīng)用于模糊推理系統(tǒng);S函數(shù)是SIMIULINK提供的一種功能強(qiáng)大的編程機(jī)制，通過S-function用戶可以實(shí)現(xiàn)用戶自己的算法。 　　1、模糊控制輸入變量的設(shè)計(jì)和選擇 　　系統(tǒng)中的模糊控制器采用雙輸入單輸出型控制器。輸入變量為偏差信號E和偏差變化率EC。輸出變量為控制量U。E、EC、U的量化論域均為（-6 6），模糊子集均為｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝。在MATLAB主界面命令窗口中鍵入FUZZY命令，將進(jìn)入模糊控制器的圖形用戶界面FIS編輯器，分別建立E、EC、U的隸屬度函數(shù)。這里選用三角形（trimf）隸屬度函數(shù)。 　　2、模糊控制規(guī)則的建立 　　模糊控制規(guī)則有兩種方法：經(jīng)驗(yàn)歸納法和推理合成法，本文中采用的是經(jīng)驗(yàn)歸納法。 　　模糊控制規(guī)則的建立遵循以下原則： 　　當(dāng)偏差為正向較大且偏差變化為正向較大時(shí)，控制量U的輸出應(yīng)為正向較大; 　　當(dāng)偏差為正向較小或零且誤差變化為正向較小或零時(shí)，控制量U的輸出應(yīng)為正向較小或零; 　　當(dāng)偏差為負(fù)向較小且誤差變化為較小時(shí)，控制量U的輸出應(yīng)為負(fù)向較小; 　　當(dāng)偏差為負(fù)向較大且偏差變化為負(fù)向較大時(shí)，控制量U的輸出應(yīng)為負(fù)向較大; 　　……。 　　在FIS編輯器中設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則，如表一所示： [align=center]表一 光電跟蹤伺服系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則表 Table.1 Fuzzy control rule table of opto-electronic tracking servo system [/align] 三、帶有二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)仿真模型簡介： 　　如圖一所示，光電跟蹤伺服系統(tǒng)是雙環(huán)隨動系統(tǒng)，他由速度環(huán)和位置環(huán)構(gòu)成，在位置環(huán)上，模糊控制器和常規(guī)經(jīng)典控制器被設(shè)計(jì)成按系統(tǒng)偏差大小進(jìn)行分段控制。 [align=center] 圖一 帶有自調(diào)整因子二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)SIMULINK仿真模型 Fig.1 simulation model of SIMULINK of opto-electronic tracking servo system with self-tuning two-dimension fuzzy controller[/align] [align=center] 圖二 Subsystem1的SIMIULINK仿真模型 Fig.2 simulation model of SIMULINK of Subsystem1[/align] 　　Subsystem1子系統(tǒng)如圖二所示，偏差E和EC是S-函數(shù)的兩個輸入，S-函數(shù)的輸出是比例因子Ke、Kec和Ku還有位置環(huán)常規(guī)控制器的輸入jd。 　　應(yīng)用S-函數(shù)ep11_he.m能實(shí)現(xiàn)兩種控制器之間的切換，切換點(diǎn)選取為0.1。當(dāng)系統(tǒng)偏差絕對值大于切換點(diǎn)時(shí)，為模糊控制器工作，使系統(tǒng)偏差迅速減小;小于切換點(diǎn)時(shí)，Subsystem1子系統(tǒng)的jd端口輸出為e，常規(guī)控制器控制工作，保證系統(tǒng)控制精度[3]。ep11_he.m對模糊控制器的兩個輸入E和EC的比例因子Ke和Kec進(jìn)行配置。由于比例因子Ke和Kec的取值對光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的動態(tài)性能影響很大。Ke選取較大，系統(tǒng)的超調(diào)量也較大，過渡過程較長，但上升時(shí)間變短;Kec的取值越大，系統(tǒng)超調(diào)量越小，但系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢，同時(shí)，模糊控制器輸出比例因子Ku選擇過小將導(dǎo)致動態(tài)過程變長，過大又會使系統(tǒng)振蕩[4]。按照這一規(guī)律（經(jīng)過仿真試驗(yàn)驗(yàn)證），在S-函數(shù)ep11_he.m中，特別將兩個輸入E和EC分別與兩個輸入比例因子Ke和Kec聯(lián)系，使Ke和Kec隨著E和EC的變化而變化，當(dāng)偏差較大時(shí)，Ke取較大值，系統(tǒng)上升時(shí)間變短，響應(yīng)速度較快;當(dāng)偏差較小時(shí)，Ke應(yīng)為較小值，使系統(tǒng)超調(diào)下降;同樣，對于偏差變化可以使之與EC建立聯(lián)系，在系統(tǒng)響應(yīng)的上升時(shí)間里，保持較大值，以減小系統(tǒng)超調(diào)量;當(dāng)EC較小時(shí)，Kec的值迅速減小，系統(tǒng)保持較快的響應(yīng)速度。ep11_he.m中對于Ku的取值原則，在系統(tǒng)響應(yīng)的上升狀態(tài)中，使Ku取較大的值，減小系統(tǒng)的動態(tài)過程時(shí)間;當(dāng)系統(tǒng)E和EC比較小時(shí)，Ku取較小的值，避免系統(tǒng)振蕩。 四、結(jié)果分析: 　　經(jīng)過仿真，得到常規(guī)控制器階躍響應(yīng)曲線（圖三）和帶有二維模糊控制控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)（圖四、圖五）的階躍響應(yīng)曲線如下： [align=center] 圖三　光電跟蹤伺服系統(tǒng)經(jīng)典控制器的階躍響應(yīng)曲線 Fig.3 step response of classic control of opto-electronic tracking servo system[/align] [align=center] 圖四　帶有二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線 Fig.4 step response of opto-electronic tracking servo system with two-dimension fuzzy control[/align] [align=center] 圖五 帶有自調(diào)整因子二維模糊控制器光電跟蹤伺服系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 Fig.5 step response of opto-electronic tracking servo system with self-tuning two-dimension fuzzy control[/align] 　　對比帶有自調(diào)整因子的二維模糊控制器光電跟蹤伺服系統(tǒng)（圖五）、經(jīng)典控制器和一般二維模糊控制器的階躍響應(yīng)曲線（如圖三，圖四）可以得出，自調(diào)整因子二維模糊控制器和經(jīng)典控制器（它的超調(diào)較大、高于15%，調(diào)節(jié)時(shí)間以達(dá)到±5%為準(zhǔn)大于0.4秒）和一般二維模糊控制器（它的超調(diào)為1.2%，調(diào)節(jié)時(shí)間以達(dá)到+-5%為準(zhǔn)，約0.3秒）相比，它的超調(diào)量較小，為0.6%，調(diào)節(jié)時(shí)間以達(dá)到±5%為準(zhǔn)，為0.04秒，仿真表明加入比例因子自調(diào)整二維模糊控制器的光電跟蹤伺服系統(tǒng)具有更好的動態(tài)性能。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)： 　　本文中特別采用S-函數(shù)將光電跟蹤伺服系統(tǒng)中兩種控制器之間的切換和模糊控制器比例因子自調(diào)整集于一身，并通過同時(shí)對Ke、Kec、Ku三個二維模糊控制器因子的自調(diào)整改善了光電跟蹤伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]廖京盛.基于TMS320LF2407的模糊控制直流調(diào)速系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005.Vol.21.No.4 　　[2]王建立.光電經(jīng)緯儀電視跟蹤、捕獲快速運(yùn)動目標(biāo)技術(shù)的研究[D].中國科學(xué)院研究生院博士論文，2002. 　　[3]韓曉泉.模糊控制在光電跟蹤伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)院研究生院博士論文，2005. 　　[4]諸靜.模糊控制原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.