一种索支撑柔性结构轨迹跟踪控制方法

　　1 引言

　　大型射电望远镜项目拟在贵州省建造一500m口径的射电望远镜(LT)，LT 馈源指向跟踪系统，主要由悬索 馈源舱粗调子系统和与馈源舱固连的精调 Stewart 平台子系统组成[1, 2]。大跨度柔性悬索拖动馈源舱运动来实现馈源舱轨迹跟踪的粗调，粗调精度≤50cm;精调 Stewart 平台子系统在粗调基础上实现馈源高精度轨迹跟踪，动态定位调整精度≤4mm。尽管采用精调平台来实现轨迹的精调，但轨迹精调是建立在悬索粗调基础上的，因此悬索的粗调精度就成为馈源轨迹跟踪精度能否达到要求的重要因素。由于柔性索驱动系统采用钢缆传动，因此会受到钢缆的弹性变形以及实际伺服系统中存在着摩擦、轴隙、齿隙等诸多不确定性因素的影响，又受到随机风荷等外界干扰，导致悬索 馈源舱系统是一个复杂的柔性结构，这样也使常规 PID 控制在完成如此复杂环境下的高精度控制显得不足[3]。文献[4]提出拉索吊重振动控制方案来实现悬挂馈源舱结构的风振响应。近年来智能控制有快速发展，文献[5]采用常规模糊控制算法代替常规 PID 控制算法来提高轨迹跟踪精度，但没有考虑常规模糊控制器不同时具备在偏差大时快速跟踪，在偏差小时精确定位的问题，而且这两个要求是相互矛盾的，并发生在不同的时域。当悬索 馈源舱系统运行时，受到负载扰动、传感器测量误差以及由于运行环境的变化而引起的系统内部参数变化等各种干扰，更加增强馈源舱轨迹跟踪的控制难度。非线性干扰观测器技术提供了一种处理未知干扰和非线性系统不确定性的有效方法，其优点是将外部干扰、非线性系统内部的不确定性和建模误差等统一看成系统的干扰，然后应用干扰观测器进行估计[6～8]。基于以上分析，本文在常规模糊控制算法的基础上，提出了带有自调整因子和比例积分校正环节的双模糊控制器来实现馈源舱轨迹跟踪，同时应用干扰观测器实时观测系统的干扰并对干扰进行补偿，以抑制其对系统的影响。仿真结果验证了所提控制方法的有效性。

　　2 双模糊控制器的设计

　　对 LT 索支撑柔性结构这样复杂的、难以建立精确数学模型的系统，常规 PID 控制很难保证轨迹跟踪精度。相比之下常规模糊控制器对阶跃响应具有上升速度快，过渡时间较短，对参数变化不敏感等特点，同时不需要被控系统的精确数学模型[9]。常规模糊控制器结构如图 1 所示。为了保证轨迹跟踪精度，设计控制器时往往采用偏差大时要快速跟踪，偏差小时要精确定位，对常规模糊控制器而言，这两个要求是相互矛盾的，且发生在不同的时域。虑到索支撑柔性结构的特点，根据时域的不同规则生成模糊控制规则表，来满足偏差大时快速性，偏差小时精确定位的要求，这样就形成了双模糊控制器如图 2 所示。