光電跟蹤伺服系統(tǒng)中模糊控制器的設(shè)計與仿真

引言：
　　近年來，人們廣泛的將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)生活各個領(lǐng)域。它以其不依靠被控對象的精確數(shù)學(xué)模型、適應(yīng)性好、系統(tǒng)魯棒性好以及易于實現(xiàn)無超調(diào)控制[1]而受到業(yè)內(nèi)人士青睞。尤其是二維模糊控制器，以其設(shè)計相對簡單，控制精度較高而備受矚目。本文在經(jīng)典控制方法的基礎(chǔ)上，加入比例因子自調(diào)整二維模糊控制器構(gòu)成一種伺服控制系統(tǒng)模型，通過編寫M文件的S函數(shù)來進(jìn)行經(jīng)典控制方法和模糊控制器之間的切換，仿真結(jié)果表明，光電跟蹤伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能有很大改善。
一、光電跟蹤伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
　　光電跟蹤伺服系統(tǒng)屬于雙閉環(huán)單輸入單輸出位置隨動系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)為速度環(huán)，外環(huán)為位置環(huán)。本文針對的控制對象是光電跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺，其傳遞函數(shù)是：

　　
　速度環(huán)和位置環(huán)的控制器利用超前-滯后補(bǔ)償方法設(shè)計，閉環(huán)系統(tǒng)的主要組成環(huán)節(jié)可以參見參考文獻(xiàn)[2]，這里不再詳述。
二、模糊控制器設(shè)計
　　控制系統(tǒng)工具箱（Control System
Toolbox）是MATLAB軟件包中的專門針對控制系統(tǒng)工程設(shè)計的函數(shù)和工具的集合。該工具箱提供了豐富的算法程序以完成一般控制系統(tǒng)的設(shè)計、分析和建模。
　　SIMULINK是用來建模、分析和仿真各種動態(tài)系統(tǒng)的交互環(huán)境，通過SIMULINK提供的豐富功能塊，可以迅速地創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。模糊邏輯工具箱，利用基于模糊邏輯的系統(tǒng)設(shè)計工具，通過GUI，可以完成模糊控制推理系統(tǒng)設(shè)計的全過程，利用簡單的模糊規(guī)則對復(fù)雜的系統(tǒng)行為進(jìn)行建模，然后將這些規(guī)則應(yīng)用于模糊推理系統(tǒng);S函數(shù)是SIMIULINK提供的一種功能強(qiáng)大的編程機(jī)制，通過S-function用戶可以實現(xiàn)用戶自己的算法。
　　1、模糊控制輸入變量的設(shè)計和選擇
　　系統(tǒng)中的模糊控制器采用雙輸入單輸出型控制器。輸入變量為偏差信號E和偏差變化率EC。輸出變量為控制量U。E、EC、U的量化論域均為（-6
6），模糊子集均為｛NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB｝。在MATLAB主界面命令窗口中鍵入FUZZY命令，將進(jìn)入模糊控制器的圖形用戶界面FIS編輯器，分別建立E、EC、U的隸屬度函數(shù)。這里選用三角形（trimf）隸屬度函數(shù)。
　　2、模糊控制規(guī)則的建立
　　模糊控制規(guī)則有兩種方法：經(jīng)驗歸納法和推理合成法，本文中采用的是經(jīng)驗歸納法。
　　模糊控制規(guī)則的建立遵循以下原則：
　　當(dāng)偏差為正向較大且偏差變化為正向較大時，控制量U的輸出應(yīng)為正向較大;
　　當(dāng)偏差為正向較小或零且誤差變化為正向較小或零時，控制量U的輸出應(yīng)為正向較小或零;
　　當(dāng)偏差為負(fù)向較小且誤差變化為較小時，控制量U的輸出應(yīng)為負(fù)向較小;
　　當(dāng)偏差為負(fù)向較大且偏差變化為負(fù)向較大時，控制量U的輸出應(yīng)為負(fù)向較大;
　　……。