CN105353801A - 卫星光通信终端基于模糊pid的温度梯度稳定控制方法 - Google Patents

Abstract

卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法，属于卫星光通信终端的温度控制技术领域。本发明是为了解决现有卫星光通信星上系统的温度测量方法要求对温度的采样速率高，其控温精度低的问题。它通过温度采集系统获取通信终端主体的局部温度，由局部温度与通信终端主体的局部期望温度相比较，获得偏差及偏差变化率；模糊控制器根据偏差、偏差变化率及温度采集系统的采样间隔对PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数进行调整，获得PID控制器的比例系数修正量、积分系数修正量和微分系数修正量；PID控制器通过计算获得控制量，进而实现卫星光通信终端的温度梯度稳定控制。本发明用于卫星光通信终端的温度控制。

Description

卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法

技术领域

本发明涉及卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法，属于卫星光通信终端的温度控制技术领域。

背景技术

卫星光通信星上系统工作在真空度小于1.0×10^-3Pa，温度低于100K的真空低温近似黑体环境下，在此条件下的控温系统是一种大滞后、非线性、数学模型很难建立的系统。对于卫星光通信系统而言，温度对光学系统的影响程度随着通信距离增大而变大，目前要求控温精度为≤0.1℃。

现有的温度测量方法为：对待控制温度区域进行快速测量，若测量结果高于控制温度，则使加热回路不加电，否则加热回路完全加电，这种控制方法要求对温度的采样速率非常高，控温曲线不平滑，一般控温精度为≤0.5℃。

发明内容

本发明目的是为了解决现有卫星光通信星上系统的温度测量方法要求对温度的采样速率高，其控温精度低的问题，提供了一种卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法。

本发明所述卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：通过温度采集系统获取通信终端主体的局部温度c(t)，由局部温度c(t)与通信终端主体的局部期望温度c′(t)相比较，获得偏差e及偏差变化率e_c；

步骤二：模糊控制器根据偏差e、偏差变化率e_c及温度采集系统的采样间隔T对PID控制器的比例系数k_p、积分系数k_i和微分系数k_d进行调整，获得PID控制器的比例系数修正量Δk_p、积分系数修正量Δk_i和微分系数修正量Δk_d；

步骤三：PID控制器根据偏差e和偏差变化率e_c对比例系数修正量Δk_p、积分系数修正量Δk_i和微分系数修正量Δk_d进行在线修正，获得控制量u，温度控制设备根据控制量u控制电源的电流输出量，以实现对加热片加热电流的控制，从而实现卫星光通信终端的温度梯度稳定控制。

偏差e的表达式为：

e＝c(t)–c'(t)；

偏差变化率e_c的表达式为：

$e_c=\frac{de}{dt}=\frac{e\left(t\right)-e(t-T)}{T}.$

控制量u的控制算式为：

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+k_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}.$

本发明的优点：本发明针对卫星光通信星上光终端空间温度环境，提出了一种基于模糊PID的自动控温的方法，该方法涉及真空低温环境以及自动控制理论中模糊智能PID控制控制理论。根据低温环境与期望温度差值自动整定PID参数，建立合适的控制函数。通过控制函数所求得的加热功率与加热片阻值函数相结合，根据PID参数计算随时间变化的输出功率，完成自动控制循环。利用本发明结合了热真空试验的实际验证情况，最终可实现控温精度≤0.01℃，比传统的PID控制系统的控温精度提高了50倍，有效地提高了低温真空环境下控温系统的控温性能，克服了现有技术存在的问题。

本发明方法可以应用于卫星光通信星上系统地面环境测试、整星测试、环境试验专检测试及发射场测试等。

附图说明

图1是本发明所述卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法的原理框图；

图2为模糊PID的控制器简图，图中c₁(t)为模糊的局部温度比例控制量，c₂(t)为模糊的局部温度积分控制量，G₁(t)为局部温度比例运算，G₂(t)为局部温度积分运算，G₃(t)为局部温度微分运算，H(t)为模糊的反馈运算修正量。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法，它包括以下步骤：

步骤一：通过温度采集系统1获取通信终端主体的局部温度c(t)，由局部温度c(t)与通信终端主体的局部期望温度c′(t)相比较，获得偏差e及偏差变化率e_c；

步骤二：模糊控制器2根据偏差e、偏差变化率e_c及温度采集系统1的采样间隔T对PID控制器3的比例系数k_p、积分系数k_i和微分系数k_d进行调整，经过模糊化、近似推理，并利用重心法对模糊量清晰化，获得PID控制器3的比例系数修正量Δk_p、积分系数修正量Δk_i和微分系数修正量Δk_d；

步骤三：PID控制器3根据偏差e和偏差变化率e_c对比例系数修正量Δk_p、积分系数修正量Δk_i和微分系数修正量Δk_d进行在线修正，获得控制量u，温度控制设备4根据控制量u控制电源的电流输出量，以实现对加热片加热电流的控制，从而实现卫星光通信终端的温度梯度稳定控制。

偏差e的表达式为：

e＝c(t)–c'(t)；

偏差变化率e_c的表达式为：

$e_c=\frac{de}{dt}=\frac{e\left(t\right)-e(t-T)}{T}.$

控制量u的控制算式为：

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+k_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}.$

本发明方法可以有效的提高卫星光通信星上设备的控温性能，减少控温时间，提高控温精度。它通过温度采集系统，获取局部温度c(t)，期望温度c'(t)，u为温度控制设备的改变量，即电源对加热片输出的电流值；采样间隔可选择为：T＝30s。通过对三个参数k_p、k_i、k_d进行调整，然后分别经过模糊化、近似推理和清晰化后，把得出的修正量Δk_p、Δk_i和Δk_d分别输入PID控制器中，对三个参数进行在线修正计算出控制量u，控制电源电流输出量，实现对设备的温度控制。

具体实施例：取采样间隔T＝30s，通过诸多铂电阻获取设备的温度数组c_n(t)，将温度数组传递给控温电脑，选定需要控温的位置并提取其当前c(t),根据实验要求确定期望温度c'(t)，由公式计算出偏差e和偏差变化率e_c，将控制信息模糊化，确立模糊子集后然后选定模糊子集的隶属函数，根据测温系统传递过来的温度数据以及多次试验结果分析建立合适的模糊控制规则表，得出模糊控制量u。最后经过清晰化得到实际的配置量，进而配置控温电源，完成光通信系统的自动控温。

本发明方法的数字化控制步骤是：

001测温软件获取目标温度信息c(t)。

002控温软件通过UDP协议接收控制信息。

003根据所需期望温度c'(t)和当前部件温度信息c(t)，结合模糊PID控制算法进行模糊化处理，得出模糊控制量u。

004将这些控制量在模糊控制器中进行运算。

005把运算结果中的模糊量转换为精确量，以便各执行器进行具体的操作控制。

006完成对卫星光通信系统的温度控制。

其中步骤003到005中的模糊化PID控制方法和清晰化处理方法如下：

根据PID控制算法，并结合模糊理论，建立控制算式u(t)为：

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+k_i{\∫}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt},$

根据温度偏差e和温度偏差变化率e_c之间的模糊关系调整k_p、k_i和k_d的值。

1)当e>0时，控温系统应处于加热阶段。

当|e|较大时，控温系统响应速度很慢，跟踪性能也较差，为了使系统能够具有较快的响应速度和较快的跟踪性能，同时为了避免由于系统反应速度过慢而导致的超调可能，PID的3个控制参数应满足：k_p取较大值，这样可使系统尽快升温；k_i取值在该阶段对系统影响较小，可暂时设为0；k_d取值较小，可以抑制可能产生的过饱和。

当|e|为中等大小时，控温系统响应较快，因此容易产生较大的超调量。为抑制其超调，使其在可调范围内并尽快进入稳定状态，PID控制参数应满足：k_p取较大值，这样可使系统尽快升温；k_p取较小值，这样可使系统不至于超调；k_i、k_d取值适当值，以保证系统在稳定的状态下有较快的响应速度。

当|e|为较小值时，为了使系统能够具有较好的静态性能，PID控制参数取值应满足：k_p、k_i取较大值，同时为抑制震荡，并考虑到系统的抗干扰能力，当|e_c|的值较小时k_d应取中等大小；当|e_c|的值较大时，k_d应取较小值以保证系统的稳定性。

2)当e<0时，控温系统应处于降温阶段。由于光通信系统处于高真空环境下，系统降温只能由辐射形式散发，响应速度较慢，因此k_p、k_i、k_d的取值与e>0时有一些差别，k_p应取较大值，k_i、k_d取值适中。

确立模糊子集{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。并简记为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},温度偏差e、温度变差变化率e_c和控制器k_p、k_i、k_d的模糊论域均为{-3，-2,-1,0,1,2,3}，然后选定模糊子集的隶属函数。

∫_NB(x)＝-x-2-3≤x≤-2，

${\&Integral;}_{NM}\left(x\right)=\{\begin{array}{cc}x+3& -3\&le;x\&le;-2\\ -x-1& -2\&le;x\&le;-1\end{array},$

${\&Integral;}_{NS}\left(x\right)=\{\begin{array}{cc}x+2& -2\&le;x\&le;-1\\ -x& -1\&le;x\&le;0\end{array},$

${\&Integral;}_{ZO}\left(x\right)=\{\begin{array}{cc}x+1& -1\&le;x\&le;0\\ 1-x& 0\&le;x\&le;1\end{array},$

${\&Integral;}_{PS}\left(x\right)=\{\begin{array}{cc}x& 0\&le;x\&le;1\\ 2-x& 1\&le;x\&le;2\end{array},$

${\&Integral;}_{PM}\left(x\right)=\{\begin{array}{cc}x-1& 1\&le;x\&le;2\\ 3-x& 2\&le;x\&le;3\end{array},$

∫_PB(x)＝x-22≤x≤3。

低温真空模糊PID控制器的两个输入量是温度偏差e和温度偏差变化率e_c，它们都是连续的实数。在实验中，温度变化范围即温度物理论域为(-300，150)℃，真空罐内温度偏差变化率的物理论域(-0.5,0.5)℃/分钟，物理论域和模糊论域的匹配好坏严重影响系统的控制效果。因此引入量化因子k_e和k_ec，其作用使物理论域(连续量)映射模糊论域(离散量)，以便使其覆盖所有的模糊子集。

$k_e=\frac{2n}{e}=\frac{2n}{c_1-c_2}=\frac{2\&times;3}{150-(-300)}=\frac{1}{75},$

$k_{ec}=\frac{2n}{ec}=\frac{2n}{c_1-c_2}=\frac{2\&times;3}{0.5-(-0.5)}=6.$

在控温系统中，经过模糊逻辑输出的是模糊集合，由49条模糊条件语句所得，这个模糊量不能直接控制控温电源，还需要用合理的方法将模糊量转化为精确量(清晰化)，即将模糊集合等效为一个清晰值。在清晰化时，采用重心法，得到控制量u控制被控对象：

$u=\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{u}_{i}A\left(u_i\right)/\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}A\left(u_i\right),$

A(u_i)是论域u上集合A的u_i个隶属度函数，u_i是论域u的第i个元素。

Claims (3)

1.一种卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一：通过温度采集系统(1)获取通信终端主体的局部温度c(t)，由局部温度c(t)与通信终端主体的局部期望温度c′(t)相比较，获得偏差e及偏差变化率e_c；

步骤二：模糊控制器(2)根据偏差e、偏差变化率e_c及温度采集系统(1)的采样间隔T对PID控制器(3)的比例系数k_p、积分系数k_i和微分系数k_d进行调整，获得PID控制器(3)的比例系数修正量Δk_p、积分系数修正量Δk_i和微分系数修正量Δk_d；

步骤三：PID控制器(3)根据偏差e和偏差变化率e_c对比例系数修正量Δk_p、积分系数修正量Δk_i和微分系数修正量Δk_d进行在线修正，获得控制量u，温度控制设备(4)根据控制量u控制电源的电流输出量，以实现对加热片加热电流的控制，从而实现卫星光通信终端的温度梯度稳定控制。

2.根据权利要求1所述的卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法，其特征在于，偏差e的表达式为：

e＝c(t)–c′(t)；

偏差变化率e_c的表达式为：

$e_c=\frac{de}{dt}=\frac{e\left(t\right)-e(t-T)}{T}.$

3.根据权利要求2所述的卫星光通信终端基于模糊PID的温度梯度稳定控制方法，其特征在于，控制量u的控制算式为：

$u\left(t\right)=k_{p}e\left(t\right)+k_i{\&Integral;}_0^{t}e\left(t\right)dt+k_d\frac{de\left(t\right)}{dt}.$