應(yīng)用ＰＩＤ算法控制的雙軸搖擺臺(tái)的研究

摘要：雙軸搖擺臺(tái)是對(duì)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)具有重要的意義。結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)搖擺臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行了具體的工程設(shè)計(jì)，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。探討了PID算法在實(shí)際控制中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：搖擺臺(tái)；衛(wèi)星通信；PID算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP302文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2008)23-1056-03

Research on the Application of PID Controller in Double-axis Swing Table

MEI Yan-pin

(Department of Communication Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210003， China)

Abstract: Double-axis swing table is a key emulational equipment in the testing of shipborne satellite communication system. The cablility of the table directly affect the research and design of the shipborne satellite communication system. In this paper，a swing table is designed concretely and the key technologies are studied combined with an actral project.In particular in the course of applying PID in fact.

Key words: swing table; Satellite communication; PID controller

1 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信由于基本不受地域和自然條件的限制以及通信距離遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞。在動(dòng)載體上穩(wěn)定收發(fā)衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)中數(shù)據(jù)、話(huà)音、圖像穩(wěn)定地傳輸。

雙軸搖擺臺(tái)是在開(kāi)發(fā)船載式衛(wèi)星通信系統(tǒng)時(shí)替代實(shí)際海上測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下，模擬各種海況下的運(yùn)行姿態(tài)。通過(guò)測(cè)試穩(wěn)定平臺(tái)的輸出的姿態(tài)數(shù)據(jù)和實(shí)際需要的姿態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)評(píng)價(jià)穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的性能和精度，從而為船載式衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研制開(kāi)發(fā)和改進(jìn)提供參考依據(jù)，可以反復(fù)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，反復(fù)改進(jìn)以達(dá)到總體設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。

2 雙軸電控?fù)u擺臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)指標(biāo)

1) 搖擺臺(tái)載荷能力：100 kg；

2) 臺(tái)面尺寸：200×400(mm)；

3) 液壓式搖擺臺(tái)的自由度和搖擺參數(shù)。

搖擺臺(tái)具有兩個(gè)自由度的搖擺運(yùn)動(dòng)，即：方位和俯仰。有效工作范圍如表1。

注：①大角度對(duì)應(yīng)大周期，小角度對(duì)應(yīng)小周期；

②方位、俯仰的幅度，周期可以任意組合，從而使搖擺臺(tái)形成不同的復(fù)合搖擺狀態(tài)；

③搖擺臺(tái)工作方式：?jiǎn)巫杂啥葥u擺、兩自由度復(fù)合搖擺然任選。

4) 狀態(tài)參數(shù)的錄取和顯示

方位、俯仰的幅度，周期可調(diào)，可以實(shí)時(shí)顯示俯仰的轉(zhuǎn)速和角度。

5) 軟件功能：

①搖擺臺(tái)狀態(tài)設(shè)置；

②實(shí)時(shí)顯示俯仰的轉(zhuǎn)速和角度；

③時(shí)鐘顯示；

④搖擺臺(tái)運(yùn)動(dòng)不間斷中可改變狀態(tài)設(shè)置；

⑤啟動(dòng)與停機(jī)功能。

3 系統(tǒng)組成及原理

液壓式搖擺臺(tái)主要處理器、監(jiān)控模塊（包括傾斜儀和陀螺，相位開(kāi)關(guān)）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（包括驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行電機(jī)等）和控制界面（點(diǎn)陣式液晶顯示屏）組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

考慮到控制器的小型化、模塊化、低功耗，處理器選用的是C8051F020型單片機(jī)，它是Cygnal公司推出的一款高性能單片機(jī)，具有高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，執(zhí)行指令最快速度可達(dá)100MIPS，具有運(yùn)行速度快、C語(yǔ)言編程、調(diào)試方便、片內(nèi)支持JTAG調(diào)試功能、可flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)。另外與8051系列單片機(jī)比較，它擴(kuò)展了I/O口，增加了數(shù)據(jù)采樣和控制系統(tǒng)所需的幾乎所有的模擬和數(shù)字外設(shè)，充分利用這些資源可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。

系統(tǒng)用到的C8051F120的資源有：A/D采樣，定時(shí)器。

4 PID控制

4.1 傳統(tǒng)PID控制

控制系統(tǒng)中的控制器，常常采用比例、微分、積分等基本的控制規(guī)律，或采用這些基本控制規(guī)律的某些組合的復(fù)合控制規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的有效控制。過(guò)去由于單片機(jī)或信號(hào)處理類(lèi)的芯片運(yùn)算速度慢，控制系統(tǒng)一般都采用模擬的P田調(diào)節(jié)器。雖然模擬P毋控制連續(xù)性好，但要實(shí)現(xiàn)控制算法的改進(jìn)和優(yōu)化卻非常的不靈活。隨著高速信號(hào)處理器的誕生，數(shù)字PID控制變得越來(lái)越有優(yōu)勢(shì)，尤其以DSP為核心的運(yùn)動(dòng)控制器在伺服控制中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

數(shù)字PID控制算法是將模擬PID離散化得到。數(shù)字PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。其表達(dá)式為：

u(k)=up(k)+ul(k)+uD(k)

圖3給出了數(shù)字P功控制器的結(jié)構(gòu)圖。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，P功控制器各控制環(huán)節(jié)的作用是這樣的。比例控制(P控制)即時(shí)成比例地反應(yīng)控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，積分控制(I控制)主要用于消除靜差，微分控制(D控制)反應(yīng)偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)。還可以這么來(lái)理解比例、積分、微分各控制環(huán)節(jié)的作用和意義。比例控制是對(duì)現(xiàn)在誤差的一種校正，積分控制是對(duì)過(guò)去誤差的校正，而微分控制是對(duì)將來(lái)可能的誤差的校正，所以PID控制是考慮了過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)信息的一種控制。這也是為什么一般控制系統(tǒng)只要用好了PID控制就可以取得較好的控制性能的原因。數(shù)字PID有不少改進(jìn)算法。常用的有積分分離PID控制算法、遇限削弱積分PID控制算法、變速積分P功控制算法、不完全微分P功控制算法、微分先行PID控制算法和帶死區(qū)的PID控制算法等。下面結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)控制的仿真具體討論。

4.2 改進(jìn)的數(shù)字PID控制

為了更透徹的探討PID控制在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用，以及為實(shí)際系統(tǒng)中的參數(shù)整定提供更明確的指導(dǎo)依據(jù)，首先進(jìn)行了轉(zhuǎn)臺(tái)控制的MATLAB仿真。

轉(zhuǎn)臺(tái)的PID控制的Simulink仿真框圖如圖4所示。其中包含了兩個(gè)子系統(tǒng)PID Controller和Turn-table。對(duì)于不同的轉(zhuǎn)臺(tái)模型和不同的控制器，只需要改變子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)即可。

4.3 基于模糊推理的參數(shù)自適應(yīng)PID控制

基于模糊推理的參數(shù)自適應(yīng)PID控制器是將自適應(yīng)控制思想和模糊控制器、PID控制器結(jié)合起來(lái)，通過(guò)模糊控制器自動(dòng)辨識(shí)受控對(duì)象（受控過(guò)程）的某些特征，并根據(jù)知識(shí)規(guī)則庫(kù)對(duì)這些特征參數(shù)進(jìn)行模糊推理，來(lái)動(dòng)態(tài)的修正PID控制器的參數(shù)。其特點(diǎn)是既具有模糊控制靈活、魯棒性強(qiáng)和適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，又兼具PID控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。

基于模糊推理的參數(shù)自適應(yīng)PID控制器根據(jù)誤差信號(hào)，不斷調(diào)整模糊控制與PID控制的復(fù)合度，不斷對(duì)PID的三個(gè)參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線(xiàn)修改，滿(mǎn)足變化的誤差對(duì)控制參數(shù)的要求，從而使得受控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。

基于模糊推理的參數(shù)自適應(yīng)PID控制器原理框圖如圖5：

4.4 PID參數(shù)的自整定原則

控制器利用系統(tǒng)和環(huán)境的有關(guān)信息按照某種映射關(guān)系，動(dòng)態(tài)調(diào)整PID算法的參數(shù)稱(chēng)為PID參數(shù)整定。本系統(tǒng)實(shí)用不依賴(lài)對(duì)象模型的參數(shù)自整定，是一種仿人的模糊控制推理的參數(shù)自整定方法。設(shè)計(jì)的步驟為：總結(jié)理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，據(jù)此編寫(xiě)模糊控制推理規(guī)則集，編制模糊推理集程序。

理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)概括如下：

1) 比例系數(shù)kp對(duì)系統(tǒng)的影響：動(dòng)態(tài)方面，kp增大，比例環(huán)節(jié)作用分量也加大，加快了系統(tǒng)的響應(yīng)，但是超調(diào)大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)kp太大時(shí)，系統(tǒng)趨向不穩(wěn)定；kp小時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)作緩慢。

靜態(tài)方面，kp增大，靜態(tài)偏差減小，但不能消除。

2) 積分系數(shù)ki對(duì)系統(tǒng)的影響：動(dòng)態(tài)方面，ki增大，則積分作用增大，當(dāng)ki偏大時(shí)，超調(diào)量大，振蕩次數(shù)增多，調(diào)節(jié)時(shí)間增加，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定。靜態(tài)方面，ki增大，靜差消除快，抗干擾能力增強(qiáng)；ki太小時(shí)，不能消除靜差，抗干擾能力下降。

3) 微分系數(shù)kd對(duì)系統(tǒng)的影響：微分分量有抑制誤差變化的能力，可壓低超調(diào)量，縮短超調(diào)時(shí)間。同無(wú)微分環(huán)節(jié)的PI調(diào)節(jié)器相比較，可用更大的kp和ki，遺傳可增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。微分是對(duì)PI的補(bǔ)充，合適的kd可得到滿(mǎn)意的過(guò)渡過(guò)程，其偏大或偏小都達(dá)不到應(yīng)有的效果。

根據(jù)參數(shù)kp、ki、kd對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響可歸納出在一般的情況下，對(duì)不同的誤差E和誤差變化率EC，受控對(duì)象對(duì)PID控制器參數(shù)kp、ki、kd的整定要求為：

1) 當(dāng)|E|較大時(shí)，為了是系統(tǒng)具有良好的快速跟蹤性能，避免因E瞬間變化大而引起微分飽和，應(yīng)取較大的kp和較小的kd。同時(shí)為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大的超調(diào)，應(yīng)對(duì)積分作用加以限制。通常取ki=0。根據(jù)實(shí)際情況也可以直接采取比例控制。

2) 當(dāng)|E|為中等大小時(shí)，為了減小系統(tǒng)的超調(diào)，同時(shí)保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，kp應(yīng)取得小些，ki取值要適當(dāng)。這中情況下，kd的取值對(duì)系統(tǒng)的影響較大，一般根據(jù)|EC|的大小來(lái)取值，當(dāng)|EC|較大時(shí)，kd應(yīng)取稍小；當(dāng)|EC|較小時(shí)，kd應(yīng)取稍大。世界中也可以直接采用PD控制。

3) 當(dāng)|E|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，提高系統(tǒng)的抗干擾性，增大ki，減小kp，同時(shí)為了避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩，并考慮系統(tǒng)的抗干擾能力，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膋d，其選擇原則是：當(dāng)|EC|較小時(shí)，kd應(yīng)取大一些，當(dāng)|EC|較大時(shí)，kd應(yīng)取小一些。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以分為一下幾個(gè)模塊：初始化模塊、穩(wěn)定模塊、跟蹤模塊、通信模塊、執(zhí)行模塊、衛(wèi)星信息存取模塊。

初始化模塊：該模塊包括處理器的初始化和控制臺(tái)初始化。處理器的初始化包括系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置、外圍數(shù)字I/O口的初始化（AD轉(zhuǎn)換和串口初始化）以及定時(shí)器的初始化。控制臺(tái)初始化包括液晶屏的監(jiān)控界面。

通信模塊：該模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控臺(tái)輸入指令和單片機(jī)回饋給監(jiān)控臺(tái)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。負(fù)責(zé)單片機(jī)和控制臺(tái)交換信息，顯示搖擺臺(tái)俯仰的轉(zhuǎn)速和角度，以及時(shí)間顯示。

校準(zhǔn)模塊：該模塊根據(jù)傾斜儀和陀螺，解算出天線(xiàn)方位和俯仰誤差，對(duì)所給的控制電壓進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

執(zhí)行模塊：該模塊負(fù)責(zé)方位電機(jī)、俯仰電機(jī)的控制。

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

該搖擺臺(tái)滿(mǎn)足船用條件下海上各種情況的仿真，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理化的設(shè)計(jì)，易于操作，性能可靠，滿(mǎn)足測(cè)試要求。

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