基于模糊PID控制的望远镜伺服控制系统

　　0　引　　言

　　本望远镜用于实现对激光导星的观测，主要完成对激光柱的追踪和对导星的定点观测。由于主镜镜筒比较长，在俯仰轴转动的时候，加在俯仰轴电机上的力矩在时刻发生变化。

　　根据受控对象的这个特性，调研国内外发表的文献[1-3]，比较模糊控制、PID控制和模糊PID控制，常规PID具有简单、稳定性好、可靠性高的优点，其调节过程的品质取决于PID参数的整定，但是常规PID控制不能实现对参数的在线整定，为此，研究人员提出了多种PID与其他控制算法相结合的复合控制算法。对于数学模型不能测量和像本系统中的时变系统，经典PID不能很好的完成控制。模糊控制对复杂和模型不确定的被控对象能进行比较好的控制，但简单的模糊控制由于不具有积分环节，不能消除稳态误差。

　　本系统将PID控制和模糊控制结合起来，组成模糊PID控制器，可以根据望远镜传递函数的改变来实时的对PID进行在线修正，从而达到较好的控制精度。望远镜的实物图如图1所示。

　　1　望远镜控制系统组成

　　望远镜伺服控制系统采用双闭环控制方式，控制器均采用模糊PID控制。系统框图如图2所示。

　　1)引导模式为速度引导时，位置控制器不参与控制，编码器反馈的值经过差分运算后得到直流电机速度，速度引导值与直流电机反馈的速度值之差e和速度变化率ec作为速度控制器的输入，经速度控制器运算后产生相应占空比的PWM波，经过功率放 大器后，驱 动直流电机 进行转动。

　　2)引导模式为位置引导时，位置引导值与编码器反馈回来的码值之差作为位置控制器的输入，位置控制器的输出作为速度控制器的输入，以下部分等同速度引导模式。

　　3)引导模式为单杆控制，单杆输出数值经归一化后，乘以一设定速度值，作为速度控制器的速度引导值，接下部分等同速度引导模式。

　　望远镜伺服控制系统的硬件结构主要 由PC104+CPLD+驱动电路组成，主要的硬件结构框图如图3所示。

　　2　控制器软件设计

　　2.1　经典PID控制器

　　经典的PID控制器在时域中可表示为：

　　式中：u(t)为控制器的输出，error(t)为误差，kp、ki、kd分别为比例、积分、微分增益参数。经典PID控制在执行过程中，参数一经整定，就不再发生变化。这种控制方法不能解决快速响应与超调量，静态性能与动态性能之间的矛盾[4-5]。

　　从系统稳定性、超调量、响应速度和稳态精度等各方面来考虑，kp、ki、kd的作用为：