基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台摩擦补偿方法与流程

本发明属于航空稳定平台设计技术领域，具体涉及一种基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台摩擦补偿方法，可以增强系统应对不确定性干扰的能力和增强系统的鲁棒性。用于消除或抑制系统扰动，对航空遥感系统高精度成像具有重大意义，适用于大、中、小型稳定平台系统的扰动抑制。

背景技术：

高分辨率航空遥感系统是以飞机(空基)和飞艇(临近空间)等飞行器为观测平台，已成为当今世界高速发展和激烈竞争的技术领域。机载航空遥感系统具有分辨率高、机动灵活、实时性好等优点，是航空遥感系统的重要组成部分。由于气流和载体颠簸等的影响，相机视轴抖动厉害，在缺乏稳定平台的情况下，为了获取高清晰度图片，飞机需多次飞行，采用拼图方式获得高清晰度图片这大大增加人力成本；此时需要高精度惯性稳定平台隔离外界扰动，使相机视轴保持稳定。航空遥感系统的高精度实时运动成像要求平台维持理想运动且姿态平稳，这对平台运动提出了严峻的挑战。对于航空平台，受外部气流扰动与内部发动机振动等影响会形成复杂多模态非理想运动，从成像原理上，不论是合成孔径成像、扫描成像、凝视成像，还是干涉成像，航空平台非理想运动都将导致成像模糊、散焦、变形、像素混叠而出现严重降质，甚至无法成像。为获得高分辨率图像，必须研究平台运动误差实时精确估计理论与方法，通过运动误差补偿提高成像精度。

1965年，zadeh教授采用隶属度函数将传统集合元素将传统集合进行模糊化处理，提出了一型模糊集合理论。1975年，zadeh教授提出二型模糊集合理论，相比之前的一型模糊集合理论，二型模糊主要是对集合中隶属度进行模糊化，并且能够表征多重不确定性情况，具有更深刻的模糊特性。模糊性作为一种不确定性的表现普遍存在与人类思维和语言交流过程中，但人脑具有善于判断和处理模糊现象的能力，方便解决现实社会中的模糊问题。如果机器可以像人脑一样也具备模糊问题处理能力，则能使机器能更好的应对复杂的情况。

二型模糊属于一种非线性的映射关系，其主要依赖专家知识建立规则库及输入输出相应的关系，并采用相关逻辑运算(与运算、并运算)得到模糊化输出，然后通过降型和精确化得到最后输出。二型模糊器、二型模糊推理机、规则库、降型和解模糊化五部分共同组成二型模糊控制系统。

目前，关于摩擦补偿研究的已有专利主要包括两类，第一类是主要针对传统pid控制算法进行摩擦模型的建立，然后进行估计补偿，如中国专利“一种适用于飞机主动侧杆系统位置控制的摩擦补偿方法”(cn201810492409.8)，包括公开了一种适用于飞机主动侧杆系统位置控制的摩擦补偿方法，飞机主动侧杆中存在的摩擦因素导致了随动控制下位置跟随不精确，主动侧杆跟随性能下降，采用传统pid控制算法难以解决此问题。为提高系统的稳态跟踪精度同时兼顾动态响应过程，实现飞机主动侧杆系统的高精度控制，通过实验辨识摩擦模型，对系统进行摩擦补偿,提高系统的位置跟踪精度。不仅适用于飞机主动侧杆系统中，还可应用到防空武器随动系统、导弹导引头伺服系统等场合。第二类主要是建立观测器进行摩擦参数的预估，如中国专利“一种气动位置伺服系统自适应反演摩擦补偿控制方法”(cn201810099223.6)，提出一种气动位置伺服系统自适应摩擦补偿控制方法，该方法综合分析气动位置伺服系统中摩擦力的非线性及不确定性并结合lugre摩擦模型，之后在lugre摩擦部分参数不确定的情况下，采用双观测器预估摩擦力状态因子，对气动位置伺服系统进行摩擦补偿控制。改善了起步阶段的动态滞后现象，减少了低速工况下爬行及高速工况下的粘滑振荡现象，提高了系统的响应速度及跟踪精度。

综上，随着航空遥感技术的发展和应用的普及，消除或抑制系统扰动，对航空遥感系统的高精度成像控制有了广阔的前景，而这方面的论文实践研究还比较缺乏。本发明从总体出发，研究内容涉及基于二型模糊控制的惯性稳定平台非模型摩擦补偿研究方法，将为与航空惯性稳定平台原理相似的的摩擦补偿控制提供指导和借鉴。

技术实现要素：

本发明提出一种基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台摩擦补偿方法，在满足设计的要求同时增强系统应对不确定性干扰的能力和鲁棒性，用于消除或抑制系统扰动，对航空遥感系统高精度成像具有重大意义，适用于大、中、小型稳定平台系统的扰动抑制。

本发明的技术方案是：

一种基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台摩擦补偿方法，

首先，根据航空惯性稳定平台的机械结构，分析得到平台机械结构摩擦主要来源于齿轮、带轮传动摩擦，轴承转动摩擦以及电机内部摩擦；

其次，为了更加精确地控制平台，航空惯性稳定平台采用电流、速率、位置三环控制的逻辑实现快速地抑制系统多种扰动，摩擦干扰力矩的补偿对于提高惯性稳定平台精度具有重要作用；

第三，采用常规pid控制方法，需要复杂的调参数过程，为解决这种复杂的过程，我们建立二型模糊控制器代替传统的pid控制器，利用二型模糊器省去了建立系统模型和调参的过程，大大提高了效率；基于二型模糊系统建立的控制器工作原理为：利用二型模糊器对精确值的输入进行处理得到模糊输入集，然后通过推理机结合设置的规则库、数据库得到模糊输出集，最后利用模糊系统的降型器和解模糊器得到最后的降维集和精确值的输出。

具体分析过程如下：

(1)建立惯性稳定平台三环控制系统设计，分为以下3个部分：

1)、三环控制的第一环是最内环的电流环，其响应速度最快，但精度较低。第二环是速度环，应用陀螺敏感框架相对于惯性空间转动速率的负反馈调节，它的环内控制器输出直接就是电流环的设定。第三环是最外环的位置环，一般使用pos或者imu获取框架角位置。在无pos或者imu的情况下可以使用加速度计敏感横滚与俯仰的两个框角位置，该环精度最高，但响应速度最慢。

2)、设计外环时，内环被视作一个简化环节。如果内环中频段较高，内环简化近似模型就会越准确。下面的公式表明了各环节带宽数学关系，其中ωr代表平台框架的机械谐振频率，ωb·θ代表系统期望的闭环带宽，ωc·θ和ωc·ω分别表示位置环和速度环和回环的开环截止频率。

3)、在本文的三环控制系统设计中，惯性稳定平台的实际机械谐振频率取ωr＝31.4rad/s，ωc·ω＝6.28rad/s，ωc·θ＝1.57rad/s，ωb·θ＝3.14rad/s，ωc·i>90rad/s。

(2)建立二型模糊控制系统分为以下4个步骤：

步骤1)、模糊器设计：

将系统输入的精确值首先通过模糊器，模糊器将其对应到相应的模糊集合上，可以得到每个集合的隶属度。一般二型模糊控制器将输入的误差和误差变化进行模糊化，其模糊化方法是将确定输入x＝(x1,x2,…xn)^t∈u映射成u上的集合其中二型模糊集合上的。工程实际应用中，离散的范根据输入量的分辨率定义成多级。

如果遇到非对称型的，我们可以通过运算，将不对称集合换算成对称集合，可用下式进行转换：

步骤2)、模糊推理机设计

(21)匹配

匹配是推理机确定其输入与规则库中的规则进行配对，确定推理所用规则。系统n个输入xi,i＝1，2，…，n，通过模糊运算得模糊量变量经模糊化处理后，模糊值一般不会超过三个，一般情况为以下两个阶段是匹配的前提。

阶段1：组合规则前件，x1,x2是控制器的两个输入，每个变量分别有两个模糊值及则模糊规则前件为：

通过搜索规则库中全部规则，寻找与改前件匹配的规则，如果搜索到这些规则，则当前规则被激活。

阶段2：激活规则前件的确信度，对于第i条规则前件确信度，我们可以采用表示，其中“*”表示“最小”和“乘”两种运算。

(22)推理

由匹配激活的每条规则，都会产生相应的模糊集合，n条规则就会产生n个蕴含模糊集合，综合所有蕴含模糊集合，可以求出模糊控制器的确切输出值。

步骤3)、二型模糊系统规则库与数据库的设计

规则如下:

步骤4)、降型器与解模糊器设计

降型器就是扩展解模糊运算模块，并且将二型模糊集合转化为的一型模糊集合的过程就被称为降型操作无数个一型模糊集合的并集组成了二型模糊集合。解模糊主要是将一型模糊集合通过计算得到精确值作为系统输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基础是采用三环控制的原理，电压映射电流变化，电流映射转矩大小，转矩大小映射转速的变化，转速同时又映射了位置的变化，三环控制考虑了电气与物理融合，可以达到非常精准，可靠的控制。

(2)本发明采用模糊控制的原理，模糊控制不需要被控对象的数学模型即可实现较好的控制，这是因为被控对象的动态特性已隐含在模糊控制器输入、输出模糊集及模糊规则中。所以模糊控制被越来越多的应用于各个领域。

(3)模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。

(4)由于一型模糊集合只可以表示单重不确定性信息，不能充分描述复杂模糊情况。相比一型模糊集合，本发明采用的二型模糊控制能够表示多重不确定性信息，此外，二型模糊逻辑控制可以增强系统应对不确定性干扰的能力和、增强系统的鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台的机械结构示意图。

图2为本发明的基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台摩擦补偿方法流程图。

图3为本发明的惯性稳定平台三环控制系统框图。

图4为本发明的二型模糊控制系统框图。

附图标记列示如下：

1－方位框速率陀螺，2－方位框轴承，3－横滚框速率陀螺，4－横滚框齿轮副，5－横滚框力矩电机，6－横滚框旋转变压器，7－方位框旋转变压器，8－方位框力矩电机，9－方位框齿轮副，10－俯仰框力矩电机，11－俯仰框旋转变压器，12－俯仰框齿轮副，13－俯仰框速率陀螺，14－加速度计y，15－加速度计x，16－俯仰框，17－横滚框，18－方位框，19－相机，20为－镜头，21－pos。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，为本发明的基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台的机械结构示意图。

航空惯性稳定平台的机械结构包括方位框速率陀螺1，方位框轴承2，横滚框速率陀螺3，横滚框齿轮副4，横滚框力矩电机5，横滚框旋转变压器6，方位框旋转变压器7，方位框力矩电机8，方位框齿轮副9，俯仰框力矩电机10，俯仰框旋转变压器11，俯仰框齿轮副12，俯仰框速率陀螺13，加速度计y14，加速度计x15，俯仰框16，横滚框17，方位框18，相机19，镜头20，pos21。其中的方位框速率陀螺1、方位框力矩电机8固定在方位框18上，俯仰框速率陀螺13、俯仰框力矩电机10固定在俯仰框16上，横滚框速率陀螺3、横滚框力矩电机5固定在横滚框17上。为了增加电机扭矩，在方位框力矩电机8上增加方位框齿轮副9、在俯仰框力矩电机10上增加俯仰框齿轮副12、在横滚框力矩电机5上增加横滚框齿轮副4。为了增加控制的有效性和快速性，增加方位框旋转变压器7、俯仰框旋转变压器11、横滚框旋转变压器6。加速度计y14、加速度计x15检测x、y轴加速度固定于俯仰框架16上，相机19和镜头20、pos21固定连接在方位框上，俯仰框架16支承吊于横滚框架17下，横滚框架17支承吊于方位框架18下，方位框轴承2用于将相机19固定在方位框架18上，让相机19具有自由转动的特性。

图2为本发明的基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台摩擦补偿方法流程图。

首先根据图1航空遥感惯性稳定平台的机械结构，分析得到平台机械结构摩擦主要来源于齿轮、带轮传动摩擦，轴承转动摩擦以及电机内部摩擦。为了更加精确地控制平台，稳定平台采用图3所示的三环控制逻辑实现快速地抑制系统多种扰动，摩擦干扰力矩的补偿对于提高惯性稳定平台精度具有重要作用。采用常规pid控制方法，需要复杂的调参数过程，为解决这种复杂的过程，我们建立图4所示的二型模糊控制系统代替传统的pid控制器，省去了建立系统模型和调参的过程，大大提高了效率。具体过程如下：

一种基于二型模糊控制的航空惯性稳定平台摩擦补偿方法，

首先，根据航空遥感惯性稳定平台的机械结构，分析得到平台机械结构摩擦主要来源；

其次，采用三环控制的逻辑，构造速率、电流、位置的三环控制系统；抑制系统多种扰动，补偿摩擦干扰力矩；

第三，建立二型模糊控制系统，利用二维模糊器对精确值的输入进行处理得到模糊输入集，然后通过推理机结合设置的规则库、数据库得到模糊输出集，最后利用降型器和解模糊处理模块得到最后的降维集和精确值的输出，实现非线性摩擦扰动补偿。

(1)建立惯性稳定平台三环控制系统设计，分为以下3个部分：

1)、三环控制的第一环是最内环的电流环，其响应速度最快，但精度较低。第二环是速度环，应用陀螺敏感框架相对于惯性空间转动速率的负反馈调节，它的环内控制器输出直接就是电流环的设定。第三环是最外环的位置环，一般使用pos或者imu获取框架角位置。在无pos或者imu的情况下可以使用加速度计敏感横滚与俯仰的两个框角位置，该环精度最高，但响应速度最慢。

2)、设计外环时，内环被视作一个简化环节。如果内环中频段较高，内环简化近似模型就会越准确。下面的公式表明了各环节带宽数学关系，其中ωr代表平台框架的机械谐振频率，ωb·θ代表系统期望的闭环带宽，ωc·θ和ωc·ω分别表示位置环和速度环和回环的开环截止频率。

3)、在本文的三环控制系统设计中，惯性稳定平台的实际机械谐振频率取ωr＝31.4rad/s，ωc·ω＝6.28rad/s，ωc·θ＝1.57rad/s，ωb·θ＝3.14rad/s，ωc·i>90rad/s。

如图3所示，为本发明的惯性稳定平台三环控制系统框图。

惯性稳定平台的直流力矩电机分别固定在方位框架、俯仰框架、横滚框架上，产生摩擦力矩干扰。抑制摩擦力矩干扰的三环控制系统由内向外分别为电流环、速率环和位置环，其中电流环和速率环均采用pid控制方法进行控制。电流环的负反馈量是霍尔传感器测得的电流，能够实时调整与给定电流量之间的偏差，从而抑制电源电压波动，经过速率补偿器输出电压进行pwm功率驱动来控制直流力矩电机，提高输出控制转矩的线性度，优化动态性能，克服双闭环pid控制结构的缺点。速率环负反馈回路由速率陀螺为反馈元件构成，速率陀螺敏感惯性稳定平台的干扰角运动，通过位置补偿器，快速补偿各种干扰，增强系统稳定性。而位置环是系统的主反馈，通过pos和加速度计传感器的反馈测量控制框架的稳定，对系统性能的提高有重大作用。

(2)建立二型模糊控制系统分为以下4个步骤：

步骤1)、模糊器设计：

将系统输入的精确值首先通过模糊器，模糊器将其对应到相应的模糊集合上，可以得到每个集合的隶属度。一般二型模糊控制器将输入的误差和误差变化进行模糊化，其模糊化方法是将确定输入x＝(x1,x2,…xn)^t∈u映射成u上的集合其中二型模糊集合上的。工程实际应用中，离散的范根据输入量的分辨率定义成多级。

如果遇到非对称型的，我们可以通过运算，将不对称集合换算成对称集合，可用下式进行转换：

步骤2)、模糊推理机设计

(21)匹配

匹配是推理机确定其输入与规则库中的规则进行配对，确定推理所用规则。系统n个输入xi,i＝1，2，…，n，通过模糊运算得模糊量变量经模糊化处理后，模糊值一般不会超过三个，一般情况为以下两个阶段是匹配的前提。

阶段1：组合规则前件，x1,x2是控制器的两个输入，每个变量分别有两个模糊值及则模糊规则前件为：

通过搜索规则库中全部规则，寻找与改前件匹配的规则，如果搜索到这些规则，则当前规则被激活。

阶段2：激活规则前件的确信度，对于第i条规则前件确信度，我们可以采用表示，其中“*”表示“最小”和“乘”两种运算。

(22)推理

由匹配激活的每条规则，都会产生相应的模糊集合，n条规则就会产生n个蕴含模糊集合，综合所有蕴含模糊集合，可以求出模糊控制器的确切输出值。

步骤3)、二型模糊系统规则库与数据库的设计

规则如下:

步骤4)、降型器与解模糊器设计

降型器就是扩展解模糊运算模块，并且将二型模糊集合转化为的一型模糊集合的过程就被称为降型操作无数个一型模糊集合的并集组成了二型模糊集合。解模糊主要是将一型模糊集合通过计算得到精确值作为系统输出。

如图4所示，为本发明的二型模糊控制系统示意图。包括二维模糊器、推理机、规则库、数据库、降型器和解模糊器，首先利用二维模糊器对系统输入的精确值进行处理得到模糊集合输入集，然后通过推理机结合设置的规则库、数据库得到模糊输出集，最后模糊输出集输入降型器和解模糊器，得到最后的模糊数的降型输出和精确值的系统输出。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业人员公知的现有技术。