（机械电子工程专业论文）基于synqnet的精调stewart平台控制系统设计与实现.pdf

摘要 基于“新一代大射电望远镜( f a s t ) 馈源指向跟踪系统”高精度轨迹跟踪要 求，本文对f a s t 精调s t e w a r t 平台的控制策略与方法进行了深入的研究，从工程 实际出发，对控制系统硬件及软件进行了设计与开发，并进行了实验验证。完成 的主要工作和取得的研究结论归纳为四个方面： 1 、 对精调s t e w a r t 平台的控制策略进行了研究，确定了平台基于关节空间的计 算机分布式控制策略，进行了运动学逆问题分析，并利用梯形速度曲线对平 台运动轨迹进行了规划； 2 、在关节空间设计了具有高控制精度的模糊自适应p i d 控制器，结合对馈源舱 下一时刻位姿运动预测，实现了精调平台的高精度轨迹跟踪控制； 3 、采用新型网络伺服运动控制器s y n q n e t ，设计了精调s t e w a r t 平台专用控制系 统： 4 、进行了大量的实验与测试，验证了控制算法、控制策略、所开发软件及硬件 的工程有效性与可行性，取得了预想的效果。从理论和工程两个方面，为实 际建造新一代大射电望远镜5 0 0 米原型打下了坚实的基础。 关键词：大射电望远镜s t e w a r t 平台 s y n q n e t 模糊自适应p i d 控制 控制系统软件 a b s t r a c t b a s e do n ac o m p l e t e l yn e wd e s i g np r o j e c to fn e x tg e n e r a t i o nl a r g er a d i o t e l e s c o p e ( f a s t ) i n t e g r a t i n g m e c h t r o n i c sa n d o p t i c st e c h n o l o g i e s ，t h e c o n t r o l s t r a t e g i e sa n dc o n t r o lm e t h o d so ft r a j e c t o r yt r a c k i n go ft h ef e e d s u p p o r t i n gs y s t e m w i t hl a r g es p a nc a b l ea r er e s e a r c h e df o rr e a l i z i n gh i g hr e q u i r e m e n to ft r a j e c t o r y t r a c k i n g ，w h i c hi se n a b l et h et r a j e c t o r yt r a c k i n gs y s t e mt or e a l i z et h eh i g hp r e c i s e t r a c k i n gb yu s i n gt h e s t e w a r tp l a t f o r ma saf i n et u n i n gp l a t f o r m s o f t w a r ea n d h a r d w a r eo fc o n t r o ls y s t e mo ft h es t e w a r tp l a t f o r ma r er e a s o n a b l yd e v e l o p e df r o m e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n a l lt h e s ec a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f o rt h es p e c i a l t yo ft h ep a r a l l e lp l a t f o r m ，t h ec o n t r o ls t r a t e g i e si sr e s e a r c h e df o r r e a l i z i n gh i g hr e q u i r e m e n to ft r a j e c t o r yt r a c k i n g ，t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls t r a t e g ya d o p t i nt h e j o i n ts p a c e ，l a i dt h ef o u n d a t i o nf o rp o s i t i o nc o n t r o lb ya n a l y z ei n v e r s ep r o b l e m s o nk i n e m a t i c so ff i n et u n i n gs t e w a r tp l a t f o r m ，t h e nt h es m o o t h l ym o v i n gt r a p e z o i d a l m o d ew a s a d o p t e dt op l a na n dr e a l i z et h et y p i c a lt r a j e c t o r y a 1 1 i g h p r e c i s i o nc o n t r o lo fa d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e di nt h ej o i n t s p a c e c o m b i n a t i o n 、析mt h e f o r e c a s to ft h en e x tt i m ec a b i np o s et oa c h i e v e h i g h - p r e c i s i o nt r a c k i n g b a s e do n an e wn e t w o r k b a s e ds e r v om o t i o nc o n t r o l l e r - s y n q n e t ，t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ec o n t r o ls y s t e mo ft h ef i n et u n i n gs t e w a r tp l a t f o r mw a sd e v e l o p m e n ta n d d e s i g n e d al o to fe x p e r i m e n t sa n dt e s t sa l ec a r r i e dt ov e r i f yt h ec o n t r o la l g o r i t h m ，t h e c o n t r o ls t r a t e g y ，t h e e n g i n e e r i n gf e a s i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s so ft h es o f t w a r ea n d h a r d w a r es y s t e m f r o mt h et h e o r e t i c a la n de n g i n e e r i n ga s p e c t sl a i das o l i df o u n d a t i o n f o r t h ea c t u a lc o n s t r u c t i o no ft h en e x tg e n e r a t i o nl a r g er a d i ot e l e s c o p e k e yw o r d s ：l a r g er a d i ot e l e s c o p es t e w a r tp l a t f o r ms y n q n e t f u z z yp i da d a p t i v ec o n t r o l s o f t w a r ef o rc o n t r o ls y s t e m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期坦至! 墨! 日期_ 三等生生 第一章绪论 第一章绪论弟一早三：百i 匕 1 1 研究背景和意义 随着科学技术的不断进步，人类对宇宙的探索越来越深入，为了以迎接天体 物理在新世纪的挑战，9 0 年代以来，许多天文学家意识到需要某种真正国际合作 意义上的新一代大射电望远镜，以推进对天文物理的研究。因此，在国际无线电 科联( u r s i ) 1 9 9 3 年日本京都第2 3 届大会上，包括中国在内的1 0 国天文与天 线学家达成了建造平方公里射电望远镜阵( s k a ) 的共识。中国科学院国家天文 台根据天文学科和天文观测的特点、要求以及现有的技术力量，提出了在中国建 设5 0 0 米口径球面射电望远镜( f i v e h u n d r e d m e t e ra p e r t u r es p h e r i c a lt e l e s c o p e ， f a s t ) 的总体工程概念。其有效接收面积比现有和计划中的世界最大全可动单天 线望远镜提高近一个量级，将是世界上最大的单口径射电望远镜。新一代l t 的 出现，必将对现代通讯、雷达技术等产生深远的影响，带来巨大的经济与社会效 益【1 3 1 。 目前世界上最大的射电天文望远镜是美国于7 0 年代在波多黎格建造的阿雷西 博( a r e c i b o ) 球反射面射电天文望远镜【4 叫，其反射面口径为3 0 5 米，由于铺设于 喀斯特洼地中，所以基本不受重力的影响，其馈源则在由悬索支撑的固定背架结 构上做跟踪射电源的运动。由于受到当时科学技术发展水平的限制，该天线有着 造价高、单频工作、精度不够高、重量过大等明显的不足之处。若采用阿雷西博 的纯机械结构设计方案，则f a s t 馈源背架重达数千吨f 7 1 ，如此高的工程代价是不 可接受的；再者，阿雷西博射电望远镜的反射面为球面，电磁波经球反射面反射 汇聚于一根线馈源上，因而接收带宽窄嗍。 因此，文献f 9 以2 】提出了大射电望远镜光机电一体化设计新方案。该方案在设计 中尽可能的以软件代替硬件，以光机电一体化技术代替传统的纯机械技术。它是 由六根大跨度悬索并行驱动装置有馈源设备的馈源舱，激光测量系统实时检测馈 源舱的位置和姿态，并反馈给主控计算机以实现闭环控制，通过大功率伺服装置驱 动悬索，从而实现馈源对轨迹的粗略跟踪。装置在馈源舱底部的s t e w a r t 平台子系 统在粗调跟踪的基础上，实现馈源平台的高精度跟踪。由于馈源背架结构被省去， 悬挂馈源结构的重量从1 0 0 0 吨降到了2 0 吨，造价随之大幅度降低。馈源更大范 围的运动空间使望远镜的天顶角由+ 2 0 0 提高至l j + 6 0 0 ，而现代数控技术和动态光学 检测、跟踪技术的采用使观测精度得以提高。其采用大跨度柔索控制馈源扫描运 动的大胆设想和馈源结构光机电一体化设计思路引起了国内外同行专家的广泛兴 基y - s y n q n e t 的精凋s t e w a r t 平台控制系统设计与实现 趣和关注，被评价为“变革式创新设计”。其结构如图1 - l 所示： 图1 1f a s t 总体结构示意图 从机构学原理上来看，f a s t 馈源支撑与指向系统是一个典型的宏微机器人 系统，两个机器人分别是柔索驱动并联机器人和s t e w a r t 平台，这一柔一刚、一 宏一微并联机器人的有机结合，拓宽了并联机器人的应用领域。f a s t 机电一体 化方案中，不仅需要s t e w a r t 平台自身有良好的机构学特性和控制性能，还需要 采用有效的控制策略解决具有柔性基座的s t e w a r t 平台的控制问题。本研究论文 通过讨论精调s t e w a r t 平台子系统馈源指向跟踪系统高精度轨迹跟踪控制问题以 及控制系统的实现问题，以证明上述新一代大射电望远镜机电光一体化创新设计 方案是完全可行的，并为将来最终建造5 0 0 米新一代大射电望远镜先导模型提供 一种理论和工程方案。 1 2 控制理论的研究与发展 众所周知，经典控制理论在解决线性定常系统的控制问题时是很有效的。现 代控制理论在军事科学、空间飞行等方面得到了成功的运用。然而现代科学技术 的迅速发展和重大进步，已经对控制和系统科学提出新的要求，自动控制理论和 工程正面临新的发展机遇和严峻的考验。传统控制理论，包括经典反馈控制、近 代控制和大系统理论等等在应用中遇到了很多的难题l l 引，这些难题包括： 1 ) 传统控制系统的设计和分析是建立在精确的系统数学模型基础上的，而实 际系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完备性等，一般来说无 法获得精确的数学模型： 2 ) 研究传统控制系统时必须提出并且遵循一些比较苛刻的假设，而这些假设 第一章绪论 在应用中往往与实际并不相吻合； 3 ) 对于某些复杂和包含不确定性对象的问题，由于根本无法用传统的数学模 型来表示，因此应用传统的控制系统无法解决此类问题； 4 ) 当需要提高性能时，传统控制系统可能会变得很复杂，从而增加了设备的 投资和维修问题，降低了系统的可靠性； 这样例子很多，如在过程控制中：在一个连续的化工设备中，它的一些参数 随着环境和输入输出流量而改变，大型锅炉机组的过热蒸汽温度动态参数随着负 荷的变化而变化，而且各种各样的随机扰动和环境对系统也有一定的影响，再者， 再生产过程中还会有相当大的纯滞后等等。这些情况的发生，常规的控制器就可 能得不到好的控制品质，因此就需要设计一种特殊的控制系统，使系统本身能够 自动补偿在模型阶次、参数和输入信号方面非预知的变化，其实这就是自适应控 制的任务。自适应控制系统就是需要不断地测量系统的状态、性能或参数，从而 “认识 或者“掌握 系统当前的运行指标并与期望的指标相比较，进而作出决 策以改变控制器的结构、参数或者根据自适应律来改变控制作用，以保证系统运 行在某种意义下的最优或者次最优状态。简单的说，自适应控制系统应该包括以 下三个基本功能： 1 ) 辨识被控对象的结构和参数或者性能指标的变化，以方便建立被控对象的 数学模型或当前的实际性能指标； 2 ) 综合出一种控制策略或控制规律，以便可以确保被控系统达到期望的性能 指标； 3 ) 自动修正控制器的参数以保证所综合出来的控制策略在被控对象上得到 实现； 然而，如果按照这些要求设计的自适应控制系统比常规控制器要复杂得多， 同时大多数的自适应规律是建立在对被控制对象进行在线辨识模型结构和参数的 基础上，而这种辨识只是单纯的数学解析结构分析，很难将所要处理的有关对象 的一些不确定信息表达好，而人类专家的经验也不能很好的被利用，况且这种算 法的计算量大、算法复杂、实时性差，使得在过程控制中实时控制的要求无法实 现，从而应用范围受到了一定的限制。怎样在传统控制理论的基础上，应用比较 先进的算法来代替传统算法的不足和缺陷，这正是所有控制工作者所要面临的难 题和现在工业控制中亟待解决的问题。 模糊控制是采用模糊语言控制规律把基于专家知识的控制策略转为自动控制 的具体策略的控制，即基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策 略总结成一系列的“i f ( 条件) t h e n ( 作用) 形式表示的控制规律，通过模糊 推理得到的控制作用集，作用于被控对象或过程。现在模糊控制技术已日益成熟， 稳定性分析问题正逐步得到解决，另外模糊控制技术在自适应模糊控制、混合模 基y - s y n q n e t 的精凋s t e w a r t 平台控制系统设计与实现 糊控制和神经模糊控制技术上也得到了较大的发展，并且结合其他方面技术，用 以解决单一技术不能解决的问题。 模糊自适应控制技术是近1 0 多年来发展起来的新型学科，受到国内外控制工 程学者的广泛关注。自从1 9 6 5 年美国控制论专家l a z a d e h 创立了模糊集理论， 就为描述、研究和处理模糊性现象提供了有力的数学工具。1 9 7 4 年，英国的 e h m a m d a n i 把模糊语言逻辑用于工业过程控制并获成功，标志着模糊控制的诞 生。 对于上述的传统控制所遇到的问题，近年来的实践表明，对于难以实现自动 控制的复杂生产过程，如果采用模糊控制理论与计算机来实现自动控制，效果较 好；若能采用基于过程状态模式识别的自校正( 或自组织) 控制策略或采用基于 模糊模型辨识的自校正控制方法，效果更佳。所以可以看出，模糊控制主要用于 那些因为过程本身的不确定性、不精确性以及具有噪声的系统，这在处理复杂系 统( 如大时滞、时变、非线性系统) 时特别具有优越性。 随着模糊逻辑处理芯片及相应硬件系统的发展和模糊控制理论研究的逐渐深 入，模糊系统、现代控制、知识工程和神经网络共同被视为开创高级过程控制新 体系的驱动力，然而，我们也不难发现普通的模糊控制并不具有适应过程持续变 化的能力。这是因为在采用启发式规则实现模糊控制时，已隐含地假设过程不会 产生超出操作者经验范围的显著变化，从而使模糊控制器仅限于在操作者富于经 验的工况下应用。为了克服这种局限性，就必须使模糊控制器具有自适应和自学 习的能力。早在1 9 7 9 年m a m d a n i 和他的学生t j r o c y k 就注意到这一问题，他们 把自组织的功能引入模糊控制器的结构，在较高的起点上研究了一类语义自组织 模糊控制器如何较短的时间内学会控制好一大类过程。这一开创性工作为后来的 自适应模糊控制的研究奠定了基础。之后我国学者龙升照和汪培庄1 1 4 j 从另一个角 度探讨了模糊控制规则的自调整问题，他们在定义模糊输入变量和其变化率变量 的一个凸组合的基础上，设计了一个只依赖于少量可调整参数的模糊规则集。上 述两种规则自适应模糊控制器在整个8 0 年代都经过了反复验证，并得到了发展和 完善【1 5 1 7 1 。此外，人们还探讨了模糊控制器中比例因子自调整对于改善控制系统 性能的作用【1 8 19 】；调整隶属函数对于提高模糊控制适应过程和环境变化能力的作 用 2 0 - 2 1 】；基于被控对象的规则模型自动生成控制器的规则模型以及模糊模型的辨 识和自学习等问题。j r a g o t 和m l a m o t t e l 2 2 1 将上述的自适应模糊控制方法归纳成 如图1 2 所示的递阶结构。从图中，可以清楚地看到各种方法在递阶结构中所处 的地位。该结构的上层是自适应机构，其下层是基本模糊控制器。从自适应模糊 控制的实现方式来看，可将其分为直接和间接两种形式。 第一章绪论 图1 2 自适应模糊控制系统 1 3 并联机器人控制系统的研究与发展 并联机器人作为机器人的一个分支，相对于传统的串联机器人而言，并联机 器人具有刚度强、精度高、负荷自重比大、速度和加速度高等显著优点，这正符 合了机电设备向高精度、高速发展的趋势，同时它又特别适合于在某些空间受限 制或工作空间范围不大，负荷量却很大的场合下工作。因此并联机器人得到了愈 来愈广泛的应用。 并联机器人系统最早的研究和应用源于1 9 6 5 年s t e w a r t 的论文中讲】，他首先 设计了一个六自由度的并联机构作为飞行模拟器。自从1 9 7 8 年由h u n t 提出结构模 型以来，并联机器人吸引了一批学者的重视和极大的研究热情，在并联机器人机 构设计理论与方法，运动学与动力学分析，位置正解分析，奇异性分析，工作空 间分析，刚度分析，运动精度分析与补偿等机构学、运动学、动力学方面都进行 了有益的探索与尝试，取得了一些引人注目的成果。与此同时，对其控制理论、 控制系统与控制技术的研究与应用也不断涌现。 并联机器人是一个十分复杂的多输入多输出非线性系统，它具有时变、强耦 合和非线性的动力学特征，因此对其控制是十分复杂的。对于并联机器人的控制， 国内外学者经过长期研究提出来许多新的理论和控制方法【2 5 2 引。国际上，p a u l ( 1 9 8 3 ) 提出了一种p i d 调节+ 前馈补偿的方法，对非线性摩擦、耦合惯性和重力 变化用检测到的量进行了前馈补偿，提高了控制系统的性能。由于这种方法引用 了二次微分，所以容易引进噪声干扰。a f i m o t o 和m i y a z a k i ( 1 9 8 3 ) 证明了p i d 调节 器能够应用于机器人的点位控制，作者证明了在子系统p i d 调节器反馈控制条件 下，某一目标值附近机器人系统的全局稳定性，但对空间轨迹的跟踪能力没有进 行分析。t s u g i e ( 1 9 8 8 ) 等人利用双自由度控制器的概念，提出了一种既考虑系 统的响应能力，又考虑系统的干扰抑制能力的机器人控制方法，并通过计算机数 6 基ts y n q n e t 的精调s t e w a r t 平台控制系统没计与实现 字仿真证明了这种方法的有效性。国内，燕山大学以其研制的国内第一台液压并 联机器人大型实验样机为对象，对并联机器人的控制模型、轨迹规划与生成、控 制系统的设计、组成和所采用的控制策略等一系列控制问题进行了分析，取得了 很多重要成果。 随着机器人在各个领域的应用，对机器人的综合性能也提出了更高的要求， 例如尽可能高的速度和精度、尽可能小的自重、低的能耗、大的工作空间、尽可 能宽的伺服带宽和尽可能大的负载能力等，原有的机器人系统已不能满足需要了， 这样一些新型的并联机器人就产生了，宏微机器人系统就是其中的一种，宏微机 器人的出现扩大了机器人的应用领域。 从机器人机构学角度看，新一代大射电望远镜( f a s t ) 馈源支撑与指向跟踪 两级控制系统就是典型的宏微并联机器人系统。柔锁支撑系统提供馈源舱的粗定 位，装置在馈源舱下的刚性s t e w a r t 平台进行馈源设备的位姿精调和振动隔离。 该项目通过光机电一体化的创新设计方案实现了大射电望远镜馈源指向跟踪系统 的高精度轨迹跟踪控制，并进行了5 0 m 缩比模型的实验验证，取得了令人满意的 阶段性成果。 1 4 本文的主要工作 本文针对“新一代大射电望远镜指向跟踪系统高精度轨迹跟踪要求”，对精调 s t e w a r t 平台的控制策略与方法进行了深入的研究，从工程实际出发，对控制系统 硬件及软件进行了合理的设计与开发，并进行了实验验证。完成的主要工作和取 得的研究结论归纳为四个方面： 1 对s t e w a r t 平台机构学及控制策略进行了研究，并进行运动轨迹规划。 针对并联机器人的结构特点，介绍和分析了关节控制和工作空间控制两种策 略，并采用了关节式分布控制策略，设计了实际功能包含位置控制和速度控制的 双环伺服系统。进行了运动学逆问题分析，为位置控制奠定了基础。并利用梯形 速度曲线对平台运动轨迹进行了规划； 2 应用模糊自适应p i d 控制器实现了精调s t e w a r t 平台的高精度轨迹跟踪控制。 针对柔性支撑s t e w a r t 平台大时滞、时变、非线性、多变量耦合系统，精确 的数学模型难以建立，采用经典控制理论与现代控制理论进行系统的分析和设计 比较困难，甚至无法获得比较理想的运行效果的特点，本文采用了一种具有高控 制精度的模糊控制算法一基于预测的模糊自适应p i d 控制策略。由于馈源舱是柔 性支撑控制系统，所以其位姿会受到外部扰动和内部摄动的影响，从而影响到馈 源平台的定位与指向精度。因此在控制过程中，必须将馈源舱下一时刻的位姿信 息前馈入s t e w a r t 平台作为控制参考输入。引入非线性跟踪微分器提取馈源舱当 第一章绪论 7 前运行的速度和加速度，从而预测馈源舱下一时刻的位姿并把该位姿发给精调平 台控制系统，以实现精调平台的高精度轨迹跟踪； 3 根据项目要求，对精调s t e w a r t 平台控制专用系统硬件与软件进行设计和具 体开发。 硬件上面，针对精调s t e w a r t 平台控制系统特点，提出了基于s y n q n e t 的网 络型控制系统方案，不但实现了s t e w a r t 平台的远程控制，同时伺服驱动器独特 的拓扑环状结构，使得整个环路中任何一处出现断点时，整个拓扑环的性能并不 受影响可以继续工作，大大提高了控制系统的可靠性。软件方面对精调s t e w a r t 平台软件系统进行整体规划、软件系统分析和模块划分。该控制系统软件具有数 据采集、实时控制、网络通信和故障处理等功能，并具有良好的人机界面，重点 介绍了控制系统软件主要模块的功能及实现： 4 进行了大量的实验与测试，验证了控制算法、控制策略、所开发软件及硬件 的工程有效性与可行性，取得了预想的效果。 对固定基座s t e w a r t 平台进行了复位精度以及典型位姿静态定位实验研究， 以保证平台本身的复位、定位及指向精度，在此基础上进行了圆形轨迹动态跟踪 实验，实验表明精调平台本身的执行精度达到要求，满足了进行复合控制实验的 前提条件。以5 0 m 实际缩比模型为对象，进行了精调平台抗干扰实验，以及实际 天文观测曲线联调，实验验证了所提方法、所开发软件和硬件的工程有效性与可 行性，取得了预想效果。从理论和工程两个方面，为实际建造新一代大射电望远 镜5 0 0 米原型打下了坚实的基础。 第一：章模糊控制理论 9 第二章模糊控制理论 2 1 模糊控制系统组成 模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算 机数字控制。其优点是不要求掌握受控对象的精确数学模型，而根据人工控制规 则组织开展决策表，然后由该表决定控制量的大小。 一个典型的模糊控制系统主要有以下几个部分组成： 一一： 模糊控制器 图2 1 模糊控制系统组成 模糊控制控制过程如下： ( 1 ) 首先计算机经过中断采样获取被控量的精确值，然后用此量和给定值比较 得到误差信号e ； ( 2 ) 把误差信号e 作为模糊控制的输入量，把精确输入量转换成模糊集合的模 糊语言变量值，称为精确量的模糊化或者模糊量化，即转换成知识库可以理解和 操作的变量格式。至此得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集e ，再有e 和模 糊控制规则r 根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u 为u = e r ； ( 3 ) 然后依据有经验的操作者或者专家的经验制定出模糊的控制规则，并进行 模糊逻辑推理，以得到一个模糊输出集合，这一步称为模糊控制规则的形成和推 理，其目的是用模糊输入值去适配控制规则，为每个控制规则确定其适配的程度， 并通过加权计算得出那些规则的输出； ( 4 ) 根据模糊逻辑推理得到的输出模糊量，用不同的方法找一个具有代表性的 精确值作为控制量，即模糊输出量的反模糊判决： ( 5 ) 将输出的控制量进行后处理，施加到执行器上转换为实际的控制作用； 1 0 基- j - s y n q n e t 的精凋s t e w a r t 平台控制系统设计与实现 2 2 模糊控制器设计 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能优劣，主要取 决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法及模糊决策的方法等 要素。它是基于被控系统的特定要求，模拟人的思维方式以及人的控制经验的一 种智能控制器。模糊控制器实时工作时，常事先遍取模糊控制器的输入模糊论域 所有可能的整数值，按照模糊控制规则进行合成，得出对应的所有控制量，形成 模糊控制查询表。进行实时控制时，由采样时刻所获得的误差、误差变化等，再 根据它们模糊化的结果查询模糊控制表，得出控制量的模糊量，把其转换为精确 量，即作为模糊控制器的输出对被控对象进行控制【2 8 。3 0 1 。 在手动控制过程中，人所能获取的信息量基本上为三个：误差、误差的变化 及误差的变化速率。由于模糊控制器的控制规则是有人的手动规则提出来的，所 以模糊控制器的输入变量也可以有三个，即误差、误差的变化及误差的变化速率。 根据输入变量的个数模糊控制器可以分为一维、二维及三维模糊控制器，如图2 2 所示。 寸w 模糊控制器 ( 1 ) 一维模糊控制器 ( 2 ) 二维模糊控制器 e ， e 模糊控制器 招 ( 3 ) 三维模糊控制器 图2 2 模糊控制器的分类 一维模糊控制器如图2 2 ( 1 ) 所示，一维模糊控制器的输入变量往往选择为 受控量和输入给定的误差e 。由于仅仅采用偏差值，很难反映受控过程的动态性 品质，因此获得到的系统动态性能不是满意的效果，这种一维模糊控制器通常用 于一阶被控对象。 二维模糊控制器如图2 2 ( 2 ) 所示，二维模糊控制器的两个输入变量基本上 都选用受控变量和输入给定的误差量e 和误差变化量e ，由于它们能够严格的反 第：章模糊控制理论 映受控过程中输出变量的动念特性，在控制效果上要比一维模糊控制器好的多， 因此是目前广泛采用的一类模糊控制器。 三维模糊控制器如图2 2 ( 3 ) 三维模糊控制器的三个输入变量为系统误差量 e 、误差变化量e 和偏差变化率e 。由于这类模糊控制器结构比较复杂，推理运算 时间长，因此除非对动态特性要求特别高的场合，一般较少选择三维模糊控制器。 2 2 1 模糊控制规则的设计 模糊规则的设计是整个模糊控制器设计的关键，它包括三部分的设计内容： 选择描述模糊输出变量的词集，定义各模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的 控制规则。 ( 1 ) 选择描述控制器输入输出的语义词汇通常称这些语义变量词汇为变量的 模糊状态，如果选择词汇较多，即用较多的状态来描述每个变量，那么制定规则 就比较灵活，形成的规则就比较精确。不过，控制起来也相对要复杂的多，而且 不容易制定。在实际应用中，通常选取7 - - 9 个模糊状态：n b ( 负大) 、n m ( 负中) 、 n s ( 负小) 、z o ( 零) 、p s ( 正小) 、p m ( 正中) 、p b ( 正大) 或者用p o ( 正零) 、 n o ( 负零) 替换z 0 ( 零) 状态。这样模糊概念的确定问题就直接转化为求取模糊集 合隶属度函数的问题。 ( 2 ) 定义一个模糊子集，实际上就是要确定模糊子集的隶属度函数曲线的形 状。隶属函数是对模糊概念的定量描述。隶属函数常见的确定方法有模糊统计法、 例证法以及专家验证法。在规定模糊子集时要考虑隶属函数形状。隶属函数曲线 形状较尖的模糊子集其分辨率高，控制灵明度也较高；相反，隶属函数形状较缓， 控制特性也较平缓，系统稳定性好。因此，对于误差变化范围较大的情况，应采 用分辨度低的模糊子集，而误差接近零时采用高分辨度的模糊子集。常用的隶属 函数形式有正态型、三角形以及梯形等等。 ( 3 ) 建立模糊控制规则通常根据控制过程中人的实际经验把推理语义规则，即 模糊条件语句，写成一个模糊控制状态表，如表2 1 所示。 1 2 基y - s y n q n e t 的精凋s t e w a r t 平台控制系统殴计与实现 表2 1 模糊控制状态表 、 c u 、c e n bn mn sz 0p sp mp b 心 n bp b p b p bp bp m oo n m p b p bp bp bp mo0 n s p mp mp mp mon sn s n o p mp m p s on sn mn m p op m p mp s 0n sn mn m p sp sp son m n m n m n m p m o o n m n b n b n bn b p boon mn bn bn bn b 2 2 2 模糊推理及其模糊量的非模糊化方法 对建立的模糊控制规则要经过模糊推理才能决策出控制变量的一个模糊子 集，要想实现对控制对象的控制作用还需要采用去模糊化方法把模糊量转化为精 确量，以便更好的发挥出模糊推理结果的决策效果。常见的模糊推理和模糊量的 去模糊化方法有：m i n m ax 一重心法、代数积一加法一重心法、模糊加权型推 理法、函数型推理法、加权函数型推理法、选择最大隶属度法以及取中位数法等 等。 常用的方法有以下三种： ( 1 ) 最大隶属度法： 选取隶属度最大的因素作为控制量u m ，如式( 2 1 ) u r n = m a x ( u ( n ) ，u ( - n + 1 ) ，u ( 0 ) u ( n - 1 ) ，u ( n ) ) ( 2 - 1 ) 这种方法的优点是简单易行，缺点是它概括的信息量很少，因为这种方法排 除了其他隶属度较小的元素的影响和作用。 ( 2 ) 加权平均法： 加权平均法又称为权系数加权平均法，该法用公式( 2 2 ) 来表示： u c 一谱 协2 ， 其中权系数k i 的选择应根据实际情况来决定。加权系数的决定直接影响着系 统的响应特性。 第二章模糊控制理论 ( 3 ) 面积平分法 面积平分法即计算将隶属度函数曲线包围面积平分为两部分的某一点，并取 该点为去模糊化的结果。 2 2 3 模糊控制器参数确定 控制系统中误差和误差变化的实际范围称为量化变量的基本论域。在设计某 个具体的模糊控制器的过程中，所有输入变量和输出变量的论域都必须给予确定。 若偏差e 的基本论域为【- ) ( c ，糊，其内的量是精确量，则偏差e 的量化论域为： 一n ，- n + 1 ，0 ，n 一1 ，n ) 正整数n 为将o ) ( c 范围内连续变化的偏差离散化( 或量化) 后分成的级数， 由于通常) 【e n ，因此，偏差的量化因子k e 定义为式( 2 3 ) ： k-nxc(2-3) 【- n ，n 】称为模糊集合论域。 量化因子l 【c 选定后( 即n 选定后) ，系统的任何偏差x i 总可由式( 2 3 ) 量化 为论域 - n ，- n + 1 ，0 , - - , n - 1 ，n 上的某一元素。 ( 1 ) t k 岱i t + l 2( t n ) ，x i 量化为t ( 2 ) 什l 2 k c x i 一 t + l ( t n ) ，x i 量化为t + l ( 3 ) k e ) 【i 1 1x i 量化为n ( 4 ) k x i n x i 量化为n 例如取n = 6 ，观测量偏差e 的范围可量化为： 一6 ，一5 ，一4 ，一3 ，。2 ，一1 ，o ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ) 若偏差e 的基本论域为【b 】，模糊集论域为卜n ，n 】，则量化公式如式( 2 - 4 ) ： x - l ba ( x 一业2 ) ( 2 4 ) i 一、a 7 i 取整数把x 加】量化为x 卜n ，n 】，此公式也称为离散化公式。 2 3 自适应模糊控制器 对于时变、非线性的复杂系统采用模糊控制时，为了获得良好的控制效果， 必须要求模糊控制具有完善的控制规则。然而，由于被控过程的非线性、高阶次、 时变性以及随机干扰等因素，造成模糊控制规则或者粗糙或者不够完善，都会不 同程度的影响控制效果。为了弥补这个不足，模糊控制器向着自适应、自组织、 自学习方向发展，于是自适应模糊控制器就慢慢诞生了1 3 1 1 。 自适应模糊控制器必须具备两个功能1 3 2 j ： 1 4 基t - s y n q n e t 的精凋s t e w a r t 平台控制系统设计与实现 ( 1 ) 控制功能：即要根据被控过程的运行状态给出合适的控制量； ( 2 ) 学习功能：即根据控制量的控制效果，对控制器的控制决策进一步改进， 以获得跟好的控制效果； 因此，自适应控制器是同时执行系统辨识和控制任务的。自适应控制器有多 种类型，但其本质都是通过对控制器的观察，作出控制决策。 自适应模糊控制器的结构如图2 3 所示： 图2 3 自适应模糊控制器结构 有图2 3 可以看出自适应模糊控制器是在模糊控制器的基础上，增加了以下 三个功能块而构成的一种模糊控制器： ( 1 ) 性能测量：用于测量实际输出特性与希望特性的偏差，以便为控制规则 的修正提供信息，即确定输出响应的校正量p ； ( 2 ) 控制量矫正：将输出响应的校正量转化为对控制量的校正量r ； ( 3 ) 控制规则修正：对控制量的校正通过修改规则来实现； 模糊控制器实际上是由计算机实现的一种模糊控制算法，自适应模糊控制器 所增加的三个功能模块也不例外，都是用软件实现各自功能。所增加的三个模块 可以看作是模糊控制器内部引进的一个软反馈，即由软件实现的对控制器自身性 能的反馈，通过这个反馈不断的调整和改善控制器的控制性能，以使对被控过程 的控制效果达到最佳的状态【3 3 。4 1 。 ( 1 ) 性能测量：根据模糊控制器中“偏差 和“偏差变化”两个参量的采样 值e ( n t ) 和c ( n t ) 计算出对输出特性所需要的校正量p ( n t ) ，并且可以采用模糊集合 论的方法总结出一套性能测量规则。即当偏差变化向设定方向发展时，不必加校 正量，反之，则需要加校正量，若是用丌表示校正，则 p ( n t ) = 丌【e ( m ，c ( n t ) 1 ( 2 5 ) ( 2 ) 控制量的校正：由性能测量所得到的输出响应的校正量p ( n t ) ，需要转 化为对过程的输入校正量。 先考虑一个两输入两输出过程，其状态方程为式( 2 6 ) ： 第- 二章模糊控制理论 x = f ( x ，u ，y ) y = g ( y ，u ，v ) 但输入变化很小时，则输出变化为： 阱 部 砌 硒 舢 卯 烈 粥 烈 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在一个很短的采样周期t 中，对于输入变化的a u 和a v 时，其相应的输出 变化a x 和y 可近似表示为式( 2 8 ) 所示： 圳斟w 阱m 嘲 协8 ) 式中j 为j a c o b i a n 矩阵，m 为输出矩阵。该式为确定输入变化a u ，a v ，输 出变化a x 、v 和矩阵m 之间关系的增量模型。 对于一般的多输入多输出情况，可表示为式( 2 - 9 ) ： p ( n t ) = m r ( n t ) ( 2 9 ) 式中p ( n t ) 是输出校正向量，r ( n t ) 是输入校正向量，它们分别为 p ( n t ) = p l ( n t ) p 2 ( n t ) p k ( n t ) r ( n t ) = 薯( n t ) r 2 ( n t ) l i c ( n t ) ( 2 1 0 ) 式2 - 9 中m 实际表示了某一输出量和哪些输入量有增量关系。若控制量与输 出量都归一化，则m 矩阵内的各元素均在1 + 1 之间，即m 为一模糊矩阵。 如果已知p ( n t ) 和m ，则r ( n t ) 为式( 2 1 1 ) ： r ( n t ) = m j p ( n w ) ( 2 - 11 ) 实际上控制量的校正过程是一个重复的过程，以克服m 矩阵初始给定的粗糙 性。 ( 3 ) 控制规则修正：主要有采用在计算机不存储关系矩阵而存储语言控制规 则的方法和采用最大隶属度法决策，修改r ( n t ) ，避免大量稀疏矩阵的运算，便 于实时控制等等来实现控制规则的修正。 1 6 基丁s y n q n e t 的精调s t e w a r t 平台控制系统没计与实现 2 4 本章小结 本章主要讲述了模糊控制系统的组成、基本原理、设计方法等。首先简要介 绍了模糊控制技术并给出了一个典型的模糊控制系统，论述其主要的组成部分； 其次研究了模糊控制器，讨论了模糊控制器的分类、组成以及典型模糊控制器设 计过程；第三部分介绍了自适应模糊控制器的结构及其原理，为下面模糊控制系 统的研究与设计打下理论基础。 第j 章l t s o m 精调s t e w a l l 甲台控制系统软硬什设计 第三章l t 5 0 m 精调s t e w a r t 平台控制系统软硬件设计 3 1 引言 s t e w a r t 平台的结构图如图3l 所示，它由上下f - 台和六条丝杠直线执行机构 组成。六根丝杠可以独立的伸缩，他们分别由虎克铰和球铰与上下平台相联。上 平台与馈源舱固联在一起，下平台由六条丝杠的伸缩运动来实现在空间6 个自由 度的独立运动。 图3 l 太射电望远镜5 0 m 缩比模型 s t e w a r t 平台是由六个独立的电动缸组成的一个典型的并联多轴运动控制系 统。对于这种多轴运动控制系统，目前主要采用的主要有三种控制方法【4 8 i ：即集 中控制、主从控制和分布式控制。 集中控制方式是采用一台功能较强的微型计算机实现全部控制功能的方式， 这种控制需要高速高性能的微型计算机。它的优点是可咀使各个伺服轴之间的协 调变得更容易，也便于实现一些复杂的算法，如运动轨迹的规划与及时调整、基 于多路输入生成多路输出的复杂矩阵计算等。由于早期的机器人功能不多，因此 这种控制方式比较容易实现，但随着计算机技术的进步和机器人控制质量要求的 提高，集中控制已经不能满足需要，主从式和分布式控制慢慢取代了集中控制。 分布式控制系统是由多台计算机分别控制生产过程中的多个控制回路，同时 又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。分布式控制系统具有 数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。它的主要优点有： 分布式的伺服控制系统，实现了现场设备的灵活部署，大大减少了现场控制器和 1 8 基丁s y n q n e t 的精调s t e w a r t 平台控制系统设计与实现 伺服驱动装置间的大量接线；现场总线的分布模式，提供了控制系统的最佳防护；