Page 25 - 网络电信2023年3月刊

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图1 系统结构图
路,用以提高运动目标速度,继而提高跟踪精度。通过在系统上
增加任意个积分环节作为系统前馈补偿,并引入到PID负反馈控
制环路中,可有效减少系统的跟踪误差。
采用PID控制算法为系统的反馈控制,离散 PID反馈控制规
律表示为:
其中,h p 、h i 和h d 表示PID的控制参数, T为采样周期。
采用增量式PID控制器来实现FPGA程序,定义Δu b (h)=
u b (h)-u b (h-1),根据式(1)得:
定义e c (h)= e(h)-e(h-1),PID参数自适应调整随着偏差e、
偏差变化率e c 的不同而改变,考虑到系统的超调和相应快速性等
综合性能指标,选取不同的h p 、h i 和h d ,通常当e的绝对值较大时,
系统相应速度加快的同时,还要避免因为初始e瞬间变大而使微
分过饱和引起控制作用超出规定范围,所以应取偏小hp和偏大的
h d ,为了不因为积分饱和导致超调过大多大的情况发生,取h i 为
0,;当e、e c 大小为中等时,为保证系统的相应速度及减小超调,
应取偏小的h p 、h i 和h d 取中等大小;当e较小时,为保证系统的稳
态特性,h p 、h i 应取偏大值,h d 的选取值随e c 而确定,若e c 偏小,h d
可取中等值,若e c 偏大,hd 取小值。
数字控制器的输入语言变量取e、e c ,语言值集合为:
LV ={NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL}
表示:L:大;M中;S小;N:负;P:正同理,建立数字控制器输出
语言变量值集合为
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CV ={NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL} (5)
控制器参数自调整的控制规则为:若e与 相等,且e c 与
相等,则h p 与 ,h i , 都相等,h d 与 也相等。其中,i=1,2,3,…
,q为控制规律的第i条模糊推理规则,q为规则个数, ∈LV,i =
1,2,3,…,q,j = 1,2;Nij∈i = 1,2,3,…,q,j = 1,2,3。
基于上述规则,通过去模糊化运算,可得 h p 、h i 和h d ,根据
式(3)可得不同补偿系数C 1 、C 2 、C 3 ,根据式(2)可得增量型模糊
PID反馈控制器。
为利用前馈补偿抑制n(t)给系统带来的影响,增加积分环节
以减小系统动态误差,则离散前馈补偿的控制规律为:
(6)
其中,前馈补偿控制器的积分环节参数为h ni ,采用增量式前
馈补偿控制器,其定义为 Δu n (h) = u n (h)-u n (h-1)。
据式(6)可得
Δu n (h)= h ni Te(h-1) (7)
其中,前馈补偿控制器参数e( h-1)的自调整随着h ni 的不同
而改变,前馈补偿控制器的参数h ni 根据PID控制器选取参数的规
则进行选取,而 e 为前馈补偿控制器唯一的输入语言变量,语言
值集合与式(4)相同,前补偿控制器的输出 un 语言值集合与式
i
i
(5)。 前馈补偿控制规则的表达:若e与O 相等,则u n 与P 相等,其
中i = 1,2,3,…,m 表示控制规律第 i 条模糊推理规则,m 表示
i
i
规则个数,O ∈LV,i = 1,2,3,…,m;P ∈CV,i = 1,2,3,…,m。
基于模糊前馈补偿控制规则,利用去模糊化运算,获取前馈
补偿控制器的输出u n 和增量式前馈补偿输出Δu n (h)。反馈PID
控制规律与前馈补偿控制规律相结合,可得当前控制电压,公式
(1)
为:
Δu(h)= Δu b (h)+Δu n (h) (8)
利用模糊化、模糊推理和去模糊化对系统反馈得到的偏差
e、e c 分别进行处理,然后与控制电压 Δub 相结合,再对反应外
部扰动的偏差e'进行一个周期的延时,通过相同方法处理得到
(2)
前馈补偿电压Δu n ,两个结果相结合,最终实现对系统的综合控
制。
(3)
三、实验测试与分析
精跟踪实验在相距2.2km的两个站点之间进行,根据设计的
基于模糊数学理论的光通信信号跟踪系统搭建实验平台,共进行
了50次独立实验,其中,采用具有较高帧频的CMOS相机,在帧频为
2230Hz时相对应的时间为0.1ms,CMOS相机的采样时间大于每次
跟踪和控制算法的执行时间。FPGA为频率100MHz的具有较高处
理速度的工作时钟,为了验证本系统的控制实时性,在 FPGA 的
控制软件中增加一个定时器功能,在运算开始处理的时候开打定
时器进行计数,获取算法的执行时间值。
采用发射功率为1mW~ 100mW可调的650nm激光器作为信标光
源,分别采用本文系统、文献[7]的深度学习网络的光通信系统
[8]
(4) 入侵行为识别及文献 的光通信网络中通信信号智能感知方法
研究,跟踪2.2km之外目标的动态。 对比三种系统的X轴光斑跟
踪曲线和光斑质心坐标分布,具体效果图见图2和图3所示。
网络电信 二零二三年四月