CN115097596A - 一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法 - Google Patents

一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法。本发明的模糊控制方法采用单输入单输出的形式，其中输入控制器的变量为控制机构当前位置与期望位置之间的位置误差，输出为控制机构电机运行速度值。该模糊控制方法的核心在于，模糊控制方法根据控制机构当前转速、控制机构电机的最大允许速度值以及当前位置误差来计算电机下一时刻的运行速度。用户可根据实际使用情况对分布式控制系统中的每一个控制机构电机的最大允许速度值、最大允许误差、最大加速度等进行修改，该方法计算量小、简单有效，适用于非线性较强、且控制机构差别较大的分布式控制系统，在光电望远镜调光调焦机构控制运用中取得了良好的效果。

Description

一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法
技术领域
本发明属于模糊控制技术领域，具体涉及一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法。
背景技术
当前，对于电机运行控制的方法有很多，而对于电机运动控制的方法大多数采用比例积分微分(PID)控制算法，此方法能达到较好的精度，但是当控制对象特性发生变化时，比例积分微分控制算法参数也要做相应的调整才能达到控制算法的最佳状态。
通常一个光电望远镜中可包括可见光、近红外、短波红外、中波红外、长波红外等多个光学波段的探测器，每一个探测器都有单独的光学镜筒，每一个镜筒都需要调焦、变焦、调光等各个控制机构，从而在看不同的目标时成像质量最佳。光电望远镜镜头调光调焦控制系统就是控制调光调焦等机构运行，使最终到达探测器的图像成像质量最佳。比如：1、调焦：带动相机运行至最佳像面处，使成像清晰。2、调光：调节光阑通光口径大小来调节通光量，避免成像过亮或者过暗。3、变倍：通过电机带动控制机构使两个成像透镜之间的距离，使成像放大或者缩小。
光电望远镜调光调焦机构要与光学系统配合，通常都位于镜筒内，由于空间受到望远镜物理尺寸的限制，在空间受限的镜筒中，为了增大驱动力矩，调光调焦机构中大多含有齿轮、蜗轮蜗杆或者滚珠丝杆等传动机构，而非采用电机直驱，这些传动机构会给控制带来死区、迟滞等非线性环节，当采用比例积分微分控制算法控制时，由于死区的存在会导致极限环振荡现象。而且光电望远镜使用环境要求为-40°～60°，由于温度的变化，会导致机械结构的变化，进而导致控制系统被控对象变化，这影响高精度控制的实现。
同时一个光电望远镜通常含有多个光学成像镜筒，每个镜筒的控制机构都有区别，包含多个控制对象且被控对象的机械特性都不一致，尤其当被控对象中含有非线性环节时，单纯比例积分微分控制算法控制效果往往不佳，需要增加低通滤波器以及扰动观测器等才能达到较好的效果。这样控制算法的复杂性会增加，需要调整的参数更多，在机构较多且各控制对象特性差别很大的时候，参数不便于调整，通用性不强，不利于工程调试。
发明内容
为解决上述问题，本发明目的是提供一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，可用于非线性被控对象，用于解决目前常用比例积分微分控制算法不适用、含非线性环节的控制系统以及参数调整困难的问题。
本发明采用的技术方案为：一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，每一个调光或者调焦控制机构都有一个独立的控制系统，该控制系统包括：控制板卡、电机驱动器、电机、传动机构及位置传感器，控制板卡通过实时采集位置传感器反馈值得到当前控制机构位置值，并实时接收控制命令，当控制板卡收到控制命令时，将对命令进行判断，通过当前位置和期望位置值，使用模糊控制方法计算后进而产生PWM(脉冲宽度调制)控制信号至电机驱动器，电机驱动器将PWM信号放大驱动电机转动，电机转动后通过传动机构带动控制机构运动至指定位置；模糊控制方法通过控制机构当前运行周期位置误差θerror、当前周期的控制机构运行速度v(k)、控制机构最大运行速度值vmax、位置减速区值θslow、控制机构最大位置误差θaccuracy来推理计算出机构下一周期电机运行速度v(k+1)，从而控制机构运行至所述的指定位置。
进一步地，为了减少控制系统的调节时间同时避免控制系统运动产生超调而引起震荡，位置减速区值θslow根据控制机构设定的最大运行速度值vmax、最大加速度a以及控制机构的初始时刻位置值θinitial与期望位置值θexcept来计算，具体计算公式如下：
Figure BDA0003744068620000021
进一步地，设当前周期的电机运行速度为v(k)，下一周期电机运行速度为v(k+1)，期望位置值为θexcept，当前时刻位置值为θ(k)，则控制机构当前运行周期位置误差为θerror＝θexcept-θ(k)，具体控制方法如下：
Figure BDA0003744068620000022
其中
Figure BDA0003744068620000023
进一步地，对于所述的减速区值，模糊控制方法的控制规则如下：
规则1：如果控制机构当前运行周期位置误差小于0，那么电机运行方向为反转；
规则2：如果控制机构当前运行周期位置误差大于0，那么电机运行方向为正转；
规则3：如果控制机构当前运行周期位置误差大于减速区值并且运行速度小于最大速度，那么电机加速运行，每个运算周期，速度增加值按照给定增量增加；
规则4：如果控制机构当前运行周期位置误差大于减速区值并且运行速度等于最大速度，那么电机恒速运行；
规则5：如果控制机构当前运行周期位置误差小于减速区值，那么电机减速运行；
规则6：如果控制机构当前运行周期位置误差小于最大允许误差值，那么电机停止运行。
进一步地，控制机构的电机类型，可以为直流电机、步进电机任何可采用脉冲宽度调制波形控制的任何电机。
进一步地，该方法适用于需要位置闭环的控制系统，只需要更改3个参数，最大速度值vmax，最大位置误差θaccuracy，最大加速度a。
进一步地，调光或者调焦控制机构为光电望远镜镜头的调光或者调焦控制机构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明适用于含有非线性环节(死区、迟滞环节)的控制系统中，能够实现高精度控制，控制方法鲁棒性好，对被控对象变化不敏感。
(2)本发明控制系统仅有三个参数，整定方便。
(3)本发明控制方法简洁明了、计算量小、通用性强、便于工程实施。
附图说明
图1为本发明一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法的控制系统框图。
图2为本发明一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法的控制规则示意图。
图3为初始时刻位置值θinitial＝5°，期望位置值θexcept＝20°时运动控制曲线。
图4为初始时刻位置值θinitial＝5°，θexcept＝5.1°时运动控制曲线。
图5为初始时刻位置值θinital＝5°，θexcept＝0°时运动控制曲线。
图6为齿轮传动方式的调焦机构示意图。
图7为消像旋机构控制实际结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
图1给出了一个控制系统框图，整个控制系统包括控制板卡、电机驱动器、电机、传动机构及位置传感器，控制板卡通过实时采集位置传感器得到当前控制机构位置值并实时接收控制命令，当控制板卡收到控制命令时，将对命令进行判断，通过比较当前位置和期望位置值，通过本发明的模糊控制方法进而产生相应的PWM控制信号至电机驱动器，电机驱动器将PWM信号放大驱动电机转动，电机转动通过传动机构带动需要运动的部件至指定位置。
图2给出了模糊控制方法的控制规则示意图，1、当位置误差θerror大于位置减速区值θslow且速度小于vmax时，加速运行；2、当位置误差θerror大于位置减速区值θslow且速度大于或等于vmax时，保持恒速vmax运行；3、当位置误差θerror小于位置减速区值θslow且位置误差θerror大于θaccuracy时，减速运行；4、当位置误差θerror小于最大位置误差θaccuracy时停止运行。
具体的，控制板卡通过周期采集编码器数据与期望位置值对比可计算出每一周期内的位置误差，当前周期的位置值减去上一周期的位置值除于周期值可以计算出当前时刻的运行速度。
在每一次期望位置改变时，为了减少控制系统的调节时间同时避免控制系统运动产生超调而引起震荡，其中位置减速区值θslow根据初始时刻位置值θinitial与期望位置值θexcept来计算，具体计算公式如下：
Figure BDA0003744068620000041
其中，vmax为最大运行速度值，a为最大加速度；
假设一个被控系统控制的控制机构的最大速度值vmax＝5°/s，最大位置误差θaccuracy＝0.0007°，最大加速度a＝5°/s2，初始时刻位置值θinitial＝5°，当θexcept＝20°时，
|θexcept-θinitial|＝15，
Figure BDA0003744068620000042
则有
Figure BDA0003744068620000043
假设控制运算周期T为1ms，根据模糊控制方法的控制规则，通过当前时刻的位置误差及速度可计算出期望速度，从而可计算出相应的脉冲宽度调制(PWM)波形，输出至电机驱动器，从而驱动电机转动。具体规则如下：
规则1：如果控制机构当前运行周期位置误差θerror<0，那么电机运行方向为反转，即sign(v)＝-1。
规则2：如果控制机构当前运行周期位置误差θerror>0，那么电机运行方向为正转，即sign(v)＝1。
规则3：如果控制机构当前运行周期位置误差|θerror|>2.5°，并且当前运行速度v(k)<5°/s，那么下一周期电机运行速度v(k+1)＝v(k)+sign(v)×a×T＝v(k)+0.5×0.001×sign(v)＝v(k)+0.005×sign(v)；
规则4：如果控制机构当前运行周期位置误差|θerror|>2.5°，并且当前运行速度v(k)≥5°/s，那么下一周期电机运行速度v(k+1)＝vmax＝5°/s；
规则5：如果控制机构当前运行周期位置误差0.0007°<|θerror|<2.5°，那么下一周期电机运行速度v(k+1)＝v(k)-sign(v)×a×T＝v(k)-0.005×sign(v)；
规则6：如果控制机构当前运行周期位置误差|θerror|<0.0007°，那么电机停止运行，即v(k+1)＝0；
根据控制规则，θinitial＝5°，θexcept＝20°时，运动控制曲线见图3所示，这时
Figure BDA0003744068620000051
Figure BDA0003744068620000052
当θinitial＝5°，θexcept＝5.1°时，运动控制曲线见图4所示，这时
Figure BDA0003744068620000053
Figure BDA0003744068620000054
当θinitial＝5°，θexcept＝0°时，运动控制曲线见图5所示，这时
Figure BDA0003744068620000055
Figure BDA0003744068620000056
实施例：
以1.2m大视场望远镜为例，该望远镜的调光调焦控制机构包括相机调焦、改正镜组调焦、消像旋、镜头盖等多个机构，每一个控制机构的控制系统图都如图1所示，只是电机驱动器、电机型号、传动机构、位置传感器型号有所不同。由于各个机构的传动机构都不相同，其中包括滚珠丝杆传动、齿轮传动，蜗轮蜗杆等多种传动方式，如图6所示为齿轮传动方式的调焦机构，各种传动方式都含有非线性特性且由于材料不同摩擦系数也不相同。对于这些机构的控制都采用了本发明中的模糊控制方法，所有控制机构均采用相同的控制方法，控制板卡内部的控制程序都是一致的，将每个机构的最大速度值、减速区值、最大位置误差、最大加速度设为可配置参数存储在EEPROM中，机构间通过拨码开关实现区分，当控制对象改变时，只需更改可配置参数即可。这样增强了控制板卡及程序的通用性，调试周期缩短，减少了程序开发时间，同时便于后期维护。该方法计算量小，对控制板卡计算性能要求大大降低，也可以达到较高的控制精度。
以消像旋机构为例，机构的最大速度值为5.12°/s，最大加速度为a＝50°/s2，最大位置误差θaccuracy＝0.0001°。当控制机构从260°位置值运行到280°时，实际控制结果如图7所示，最终控制精度达到0.0001°以内。

Claims (6)

1.一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，其特征在于，每一个调光或者调焦控制机构都有一个独立的控制系统，该控制系统包括：控制板卡、电机驱动器、电机、传动机构及位置传感器，控制板卡通过实时采集位置传感器得到当前控制机构位置值并实时接收控制命令，当控制板卡收到控制命令时，将对命令进行判断，通过比较当前位置和期望位置值，通过模糊控制方法进而产生PWM控制信号至电机驱动器，电机驱动器将PWM信号放大驱动电机转动，电机转动通过传动机构带动控制机构运动至指定位置，模糊控制方法通过控制机构当前运行周期位置误差θerror、当前周期的电机运行速度v(k)、控制机构的最大运行速度值vmax、位置减速区值θslow、控制机构的最大位置误差θaccuracy来推理计算出机构下一周期电机运行速度v(k+1)，从而控制机构运行至所述的指定位置。
2.根据权利要求1所述的一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，其特征在于，为了减少控制系统的调节时间同时避免控制系统运动产生超调而引起震荡，位置减速区值θslow根据控制机构设定的最大运行速度值vmax、最大加速度a以及控制机构的初始时刻位置值θinitial与期望位置值θexcept来计算，具体计算公式如下：
Figure FDA0003744068610000011
设当前周期的电机运行速度为v(k)，下一周期电机运行速度为v(k+1)，期望位置值为θexcept，当前时刻位置值为θ(k)，则控制机构当前运行周期位置误差为θerror＝θexcept-θ(k)，具体控制算法如下：
Figure FDA0003744068610000012
其中
Figure FDA0003744068610000013
3.根据权利要求2所述的一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，其特征在于，对于所述的减速区值，模糊控制方法的控制规则如下：
规则1：如果控制机构当前运行周期位置误差小于0，那么电机运行方向为反转；
规则2：如果控制机构当前运行周期位置误差大于0，那么电机运行方向为正转；
规则3：如果控制机构当前运行周期位置误差大于减速区值并且运行速度小于最大速度，那么电机加速运行，每个运算周期，速度增加值按照给定增量增加；
规则4：如果控制机构当前运行周期位置误差大于减速区值并且运行速度等于最大速度，那么电机恒速运行；
规则5：如果控制机构当前运行周期位置误差小于减速区值，那么电机减速运行；
规则6：如果控制机构当前运行周期位置误差小于最大允许误差值，那么电机停止运行。
4.根据权利要求3所述的一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，其特征在于，控制机构的电机类型，可以为直流电机、步进电机任何可采用脉冲宽度调制波形控制的任何电机。
5.根据权利要求3所述的一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，其特征在于，该方法适用于需要位置闭环的控制系统，只需要更改3个参数，最大速度值vmax，最大位置误差θaccuracy，最大加速度a。
6.根据权利要求1所述的一种用于调光或者调焦控制机构的模糊控制方法，其特征在于，调光或者调焦控制机构为光电望远镜镜头的调光或者调焦控制机构。
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