前言

   傳統(tǒng)PID（比例、積分和微分）控制原理簡單，使用方便，適應(yīng)性強，可以廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)過程控制領(lǐng)域。但是PID控制器也存在參數(shù)調(diào)節(jié)需要一定過程，最優(yōu)參數(shù)選取比較麻煩的缺點，對一些系統(tǒng)參數(shù)會變化的過程，PID控制就無法有效地對系統(tǒng)進(jìn)行在線控制。不能滿足在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時PID參數(shù)隨之發(fā)生相應(yīng)改變的要求，嚴(yán)重的影響了控制效果。

   模糊控制技術(shù)，已經(jīng)成為智能控制技術(shù)的一個重要分支，它是一種高級算法策略和新穎的技術(shù)。自從1974年英國的馬丹尼(E.H.Mandani)工程師首先根據(jù)模糊集合理論組成的模糊控制器用于蒸汽發(fā)動機的控制以后，在其發(fā)展歷程的30多年中，模糊控制技術(shù)得到了廣泛而快速的發(fā)展?，F(xiàn)在，模糊控制已廣泛地應(yīng)用于冶金與化工過程控制、工業(yè)自動化、家用電器智能化、儀器儀表自動化、計算機及電子技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域。尤其在交通路口控制、機器人、機械手控制、航天飛行控制、汽車控制、電梯控制、核反應(yīng)堆及家用電器控制等方面，表現(xiàn)其很強的應(yīng)用價值。并且目前已有了專用的模糊芯片和模糊計算機的產(chǎn)品，可供選用。我國對模糊控制器開始研究是在1979年，并且已經(jīng)在模糊控制器的定義、性能、算法、魯棒性、電路實現(xiàn)方法、穩(wěn)定性、規(guī)則自調(diào)整等方面取得了大量的成果。著名科學(xué)家錢學(xué)森指出，模糊數(shù)學(xué)理論及其應(yīng)用，關(guān)系到我國二十一世紀(jì)的國力和命運。

   所謂模糊PID控制器,即利用模糊邏輯算法并根據(jù)一定的模糊規(guī)則對PID控制的比例、積分、微分系數(shù)進(jìn)行實時優(yōu)化,以達(dá)到較為理想的控制效果。模糊PID控制共包括參數(shù)模糊化、模糊規(guī)則推理、參數(shù)解模糊、PID控制器等幾個重要組成部分。計算機根據(jù)所設(shè)定的輸入和反饋信號，計算實際位置和理論位置的偏差e以及當(dāng)前的偏差變化ec，并根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，最后對模糊參數(shù)進(jìn)行解模糊，輸出PID控制器的比例、積分、微分系數(shù)。

   衛(wèi)星信號接收最大的難點是天線如何自動跟蹤衛(wèi)星信號，尤其是艦船位置（經(jīng)、緯度）和方向（方位角）。為接收衛(wèi)星信號，在艦船移動接收平臺上裝載可由電機控制旋轉(zhuǎn)的衛(wèi)星接收天線系統(tǒng)，將測量出的衛(wèi)星電視接收天線方向的變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成驅(qū)動指令，經(jīng)伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制天線轉(zhuǎn)動，使接收天線中心軸在載體移動過程中始終對準(zhǔn)衛(wèi)星，并且采取適當(dāng)方法對長時間行駛產(chǎn)生的累積誤差進(jìn)行修正。故針對艦船航行過程中，因受各種作用力對船只的影響，衛(wèi)星天線接收器的基座發(fā)生偏移，導(dǎo)致天線接收器不再指向衛(wèi)星信號的傳輸方向，信號接收變?nèi)跎踔林袛?，通過從輪船衛(wèi)星天線陀螺傳感器和電子羅盤得到的數(shù)據(jù)，對改變的接收器指向坐標(biāo)進(jìn)行推算驗證，得到天線指向的初始坐標(biāo)的坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換公式。利用電機伺服驅(qū)動系統(tǒng)控制天線左右或上下轉(zhuǎn)動，重新調(diào)整使其指向衛(wèi)星，接收信號。

1、車載天線伺服系統(tǒng)的組成

   車載天線系統(tǒng)由兩部分組成：戶外設(shè)備和戶內(nèi)設(shè)備。戶外設(shè)備主要是天線伺服跟蹤系統(tǒng)（包括平臺、平臺伺服跟蹤系統(tǒng)、慣性傳感器、GPS、衛(wèi)星天線等）;戶內(nèi)設(shè)備主要是控制器（包括各傳感器接口、數(shù)據(jù)采集、控制器、衛(wèi)星接收機等）和主控計算機，兩者之間采用電纜連接，具有穩(wěn)定跟蹤和接收衛(wèi)星信號的兩大功能。

   本系統(tǒng)采用德州儀器推出的TMS320LF2407A，與傳統(tǒng)的單片機相比有巨大的優(yōu)勢。只需外加較少的硬件即可實現(xiàn)電機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用增量式光電碼盤反饋轉(zhuǎn)子的速度和磁極位置及初始位置。車載天線伺服系統(tǒng)模糊PID控制框圖如圖1所示。

圖1 車載天線伺服系統(tǒng)模糊PID控制框圖

   車載天線伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的確定若電機的負(fù)載為常數(shù)且只輸出電機轉(zhuǎn)動的角速度，則得到直流伺服電機的傳遞函數(shù)如式（1）。

圖2 直流伺服電機驅(qū)動子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2、模糊PID控制器的設(shè)計

   PID參數(shù)的模糊自整定是找出PID三個參數(shù)Kp、Ki、Kd與e和ec之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷的監(jiān)測e和echttp://www.zaoche168.com，根據(jù)模糊控制原理對三個參數(shù)進(jìn)行在線的整定。

   PID參數(shù)的設(shè)定是靠經(jīng)驗及工藝的熟悉,參考測量值與設(shè)定值曲線,從而調(diào)整Kp、Ki和Kd的大小。模糊控制規(guī)則是用于修正PID參數(shù)的，模糊控制規(guī)則根據(jù)過程的階躍響應(yīng)情況來考慮求取。規(guī)則如下所示：

   （1）預(yù)選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作;

   （2）僅加入比例控制環(huán)節(jié),直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩,記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期﹔

   （3）根據(jù)下面的具體規(guī)則修改PID控制器參數(shù)，直至滿意為止。

   根據(jù)上面所述的模糊控制規(guī)則，采用如下的PID參數(shù)的調(diào)節(jié)規(guī)則，如表1、表2、表3所示。

表1Kp規(guī)則調(diào)節(jié)表

表2KI規(guī)則調(diào)節(jié)表

表3KD規(guī)則調(diào)節(jié)表

   PID三個參數(shù)的模糊規(guī)則庫建立好以后，就可以根據(jù)模糊控制理論進(jìn)行參數(shù)的自調(diào)整。將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定義為模糊上的論域：

e,ec=｛-3，-2，-1，0，1，2，3｝

   在模糊控制規(guī)律中，e和ec的語言變量值取“負(fù)大”（NB），“負(fù)中”（NM），“負(fù)小”（NS），“零”（ZO），“正小”（PS），“正中”（PM），“正大”（PB）共7個值。它們的隸屬度函數(shù)都是三角形，并且，每個值所取的范圍寬度相等。

   為了驗證PID模糊控制器的控制效果，用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

圖3 仿真曲線圖

   運行仿真程序塑料工業(yè)網(wǎng)，得到如圖3所示的仿真結(jié)果。從圖中可以知道，在階躍響應(yīng)下，與傳統(tǒng)PID相比，該系統(tǒng)的上升時間和調(diào)節(jié)時間大大縮小，超調(diào)量明顯減小，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

3、結(jié)論

    本論文將模糊控制與SIMULINK相結(jié)合，對車載伺服系統(tǒng)設(shè)計了一個比較合理的模糊PID控制器并且進(jìn)行MATLAB仿真。由于車載天線處于一個實時變化的環(huán)境，導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)可能會根據(jù)環(huán)境變化。傳統(tǒng)的固定控制參數(shù)的控制策略沒有辦法滿足這樣的需求，而模糊自適應(yīng)控制卻恰好彌補這一缺陷。同時模糊自適應(yīng)控制還很好地解決了伺服系統(tǒng)本身自帶的由于慣量引起的誤差。軟硬件結(jié)合真正滿足了系統(tǒng)的快，準(zhǔn)，穩(wěn)。