本发明涉及高压输电线除冰技术，具体涉及一种基于激光除冰装置的模糊PID控制方法。
背景技术：
冬季严寒雨雪天气时，输电线路、塔架容易覆冰覆雪，严重时可引起线缆舞动甚至断裂、塔架倒塌等，导致输电线路损坏，造成周围人畜伤亡。现有的清除高压输电线路覆冰覆雪的手段主要有机械除冰、热力熔冰、自然除冰(也称被动除冰)、混合方式四类。激光除冰技术作为一种热力熔冰方式，通过激光加热使高压电缆的温度高于零度无法凝结成冰，或者直接熔冰，具有功率强、非接触操作、可移动等优点。然而，目前的激光除冰技术仍需全程人为操作控制，来找准线缆位置进行除冰操作，具有一定危险性，并且反馈实时性差，工作效率低。
然而，传统的难以兼顾系统的动态性能和稳态能，对于高精度要求和高耦合度的系统，固定参数的PID控制无法达到控制要求。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于激光除冰装置的模糊PID控制方法，能够实现自动线缆跟踪，稳定性强、鲁棒性好。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于激光除冰装置的模糊PID控制方法，包括如下步骤：
步骤1、确定位置偏差和偏差变化率；
步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定PID控制参数的变化量；
步骤3、根据控制参数变化量调整PID控制参数，对转台位置进行PID控制，使控制转台跟踪线缆。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明根据系统的误差和误差变化情况及时调整PID的控制参数，能够实现自动线缆跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明基于视觉的激光除冰装置的总装结构示意图。
图2是本发明基于视觉的激光除冰装置的应用示意图。
图3是本发明基于视觉的激光除冰装置的俯仰部件和方位部件结构示意图。
图4是本发明基于视觉的激光除冰装置的方位部件剖面图和俯视图。
图5是本发明基于视觉的激光除冰装置的俯仰部件俯视图。
图6是本发明基于视觉的激光除冰装置的控制系统工作示意图。
图7是本发明模糊PID控制的原理图。
图8是本发明模糊PID控制的隶属度函数曲线图，其中2(a)是输入量的隶属度函数、(b)是输出量的隶属度函数。
图9是本发明模糊PID控制的MATLAB模糊推理结构示意图。
图10发明中线缆轴心线位置示意图。
图11发明四种模式方法流程图。
附图标识：1为转台，2为激光部件，3为底座，4为视觉传感器模块，5为方位部件，6为俯仰部件，7为方位力矩电机，8为方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)，9为轴承座一，10为轴承座二，11为俯仰力矩电机，12为俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)，13为联接部件，14为方位限位锁零部件，15为方位底座，16为方位支架，17为激光发射头，18为俯仰限位锁零部件，19为激光蓄电池，20为直流电源，21激光控制箱，22为工控机，23为显示器，24为输入装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1、图2所示，本发明的激光除冰装置25，设置在车体26上，包括转台1、激光部件2、底座3、电源系统、输入输出装置、控制系统和视觉传感器模块4，其中所述转台1包括方位部件5和俯仰部件6；所述方位部件5安装在底座3上方，包括方位力矩电机7、方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)8、方位限位锁零部件14、方位底座15和方位支架16；所述俯仰部件6安装在方位部件5上方，包括轴承座一9、轴承座二10、俯仰力矩电机11、俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12、联接部件13、俯仰限位锁零部件18；所述控制系统包括工控机(22)和控制驱动部件；所述激光部件2部分安装俯仰部件6的联接部件13上；所述视觉传感器模块4安装在俯仰部件6的联接部件13上。工控机22与视觉传感器模块4连接，调整视觉传感器参数，使图像视野清晰；视觉传感器模块4捕获线缆与覆冰后，将图像传给控制系统进行图像识别，将图像识别的结果处理后，传给控制驱动部件，调整方位部件5和俯仰部件6进行跟踪，并带动激光部件2对覆冰进行清除；控制驱动部件和方位部件5、俯仰部件6相连，可以进行方位和俯仰两自由度的转动，从而带动激光部件2和视觉传感器模块4转动；所述电源系统为控制系统、视觉传感器模块4、方位部件5、俯仰部件6、激光部件2供电。
如图3～5所示，所述方位部件5包括方位力矩电机7、方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)8、方位限位锁零部件14、方位底座15和方位支架16。其中，所述方位底座15与底座3连接，方位支架16和俯仰部件6连接。所述方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)8置于底座3内部，由它得到实际方位转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件；所述方位力矩电机7位于方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)8上方，可实现激光除冰装置在方位上的-180～180度转动；所述方位限位锁零部件14位于方位支架16边缘，与方位底座15连接，通过控制驱动部件的命令使其落入方位底座15一个圆孔中时，锁定方位，固定方位支架16；所述方位支架16位于整个方位部件5的正上方，用于连接俯仰部件6，带动其在方位上转动。
所述俯仰部件6包括轴承座一9、轴承座二10、俯仰力矩电机11、联接部件13、俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12、俯仰限位锁零部件18。其中，所述轴承座一9和轴承座二10与方位部件5连接，跟随方位部件5转动；所述俯仰力矩电机11位于所述轴承座一9中，可实现0～90度俯仰旋转。所述联接部件13横架在俯仰力矩电机11和俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12中间，作为传动结构，并与所述视觉传感器模块4和激光部件2相连，带动它们一起转动；所述俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12置于轴承座二10中，通过与联接部件13转动得到实际俯仰转动的角度，通过电信号发送给控制驱动部件；所述俯仰限位锁零部件18位于所述轴承座二10内侧的联接部件13末端，通过控制驱动部件的命令使锁柱送入轴承座二(10)一个圆孔中，通过固定联接部件(13)来机械限定俯仰力矩电机(11)的俯仰角度。
所述激光部件2包括激光发射头17和激光控制箱21。其中，所述激光发射头17通过光纤与所述激光控制箱21连接，发射激光，是激光光源处，安装在联接部件13上，与所述视觉传感器模块4跟随联接部件13转动，可以将激光直接照射到视觉传感器观测区域中的所需位置。
所述电源系统包括激光蓄电池19和直流电源20。所述直流电源20主要用于给整个电机负载、输入输出装置及视觉传感器模块4供电。所述激光蓄电池19主要用于给所述激光部件2中的激光控制箱21供电。
所述输入输出装置包括显示器23和输入装置24。所述显示器23通过HDMI接口接收工控机22信号，显示控制系统控制界面；所述输入装置24用于输入操作人员的操作信息，发送给工控机22。
所述视觉传感器模块4包括可见光摄像机和红外热成像仪，根据时间切换可见光摄像机和红外热成像仪进行图像采集，如南京夏令时节，将6点-18点定义为白天，将18点-6点定义为晚上，白天通过可见光摄像机采集图像，晚上通过红外热成像仪采集图像。所述可见光摄像机包括光学镜头和图像传感器，所述光学镜头包括光学镜片和机械机构，光学镜片的材料一般为光学玻璃、光学树脂或光学陶瓷材料，在镜片表面镀有光学薄膜，为减轻光学镜头的结构重量，其结构材料采用轻质材料，所述图像传感器能把光信号转换成电信号，用于具体成像，所述可见光摄像机在白天实时采集线缆与覆冰图像，通过以太网传输给工控机22。所述红外热成像仪在晚上实时捕获线缆与覆冰图像，通过以太网传送给工控机22。
如图6所示，所述控制系统包括工控机22和控制驱动部件。所述工控机22以太网串口发送命令给视觉传感器模块4，用于实现图像参数改变；所述工控机22通过以太网连接视觉传感器模块4，实现图像获取和识别、定位线路和覆冰，得到相应的位置、形态信息反馈给控制驱动部件；所述工控机22通过RS422串口与所述控制驱动部件连接实现转台1转动切割；所述工控机22与所述输入输出装置连接实现人机交互；所述控制驱动部件位于底座3中，通过方位角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)8、俯仰角度测量装置(旋变发送机或电子编码器)12分别接收方位部件5和俯仰部件6的角度信息，并通过RS422串口传给工控机22，同时接收工控机22信息控制方位部件5和俯仰部件6，进行两自由度运动。
所述底座3位于装置的最底部，给整个装置提供稳定的支撑。
本发明的激光除冰装置，具有安全性强，可带电作业，自动化水平高、适应性强的特点。首先，本发明可以远程、“地对空”进行作业，过程安全，取代了机械除冰方式；其次，可带电作业，减少断电带来的经济损失；然后，自动化水平高，采用图像识别可以实现激光自动跟踪覆冰覆雪，系统可按照设定模式执行除冰操作，采用通信模块可以实现远程控制或者任务信息的传达；最后，适应性强，在白天或者晚上都能准确获取覆冰情况，精确除冰。本发明极大的降低了操作人员的工作安全风险，提高了除冰的工作效率和自动化水平，在目标晃动时也能准确跟踪，使激光能够瞄准冰块。
针对上述装置，本发明还提出一种基于上述激光除冰装置的模糊PID控制方法，如图7所示，包括如下步骤：
步骤1、确定位置偏差e和偏差变化率ec。
步骤2、利用模糊规则对位置偏差和偏差变化率进行模糊推理和解模糊，确定PID控制参数的变化量。
如图7所示，以位置偏差e和偏差变化率ec作为模糊控制器的输入，通过模糊规则和模糊推理算出PID控制器三个参数的变化量ΔKp、ΔKI、ΔKD与e、ec的模糊关系，具体实现如下：
步骤2.1、选择论域：输入量和输出量的论域是由传感器采集到的值决定的，若转台方位轴旋转角度范围是-90°～90°，设置输入偏差e和偏差变化率ec的基本论域为[-90,90]，PID控制器三个参数的变化量ΔKp、ΔKI、ΔKD的基本论域为[-5,5]。为了使转台的控制精度更高，设置五个变量的量化等级为7级，即[-3，-2，-1，0，1，2，3]，则e和ec的量化因子为：
K＝90/3
PID调节参数变化量的比例因子为：
Ku＝5/3
对应的模糊子集为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，子集中元素分别表示负大、负中、负小、0、正小、正中、正大；
步骤2.2、设置输入和输出的隶属度函数，建立模糊规则。
作为一种具体实施方式，系统中模糊变量的隶属度函数均采用线性三角形函数，如图8、9所示。确定了模糊变量的隶属度函数后，开始建立控制规则。
模糊的控制规则是由输入输出量以及相应的模糊推理构成的，控制规则的数量决定了系统的输出量的控制精度。根据PID控制特性可知，当误差e较大时，为了提高系统的响应速度，需要较大的控制信号并防止微分溢出，应该选择大的比例系数修正量ΔKp和小的微分系数修正量ΔKD，同时为了防止系统在运行过程中出现大的超调，ΔKI应该取0。当偏差e较小时，为了提高系统的稳态性能，可以适当增大ΔKp和ΔKI，考虑到系统的抗干扰能力，此时如果ec较小，适当增大ΔKD。当e的值适中时，为了减小系统超调，加快系统响应速度，应该选取小的ΔKp。基于以上控制经验可以建立模糊控制规则表，由于输入变量分别有7个模糊语言值，对应于每个输出量可以生成49条控制规则，模糊控制规则见表1、2、3。
表1 ΔKp的模糊控制规则表
表2 ΔKI的模糊控制规则表
表3 ΔKD的模糊控制规则表
步骤2.3、根据位置偏差、偏差变化率和模糊规则进行模糊推理，得到与PID控制参数变化量对应的模糊值。
作为一种具体实施方式，在MATLAB中设置好输入量以及相应的规则表，界面如图10所示，再采用Mamdani推理法进行推理，推理结构如图5所示。该推理法根据输入量的模糊程度，通过以上建立的49条规则，对输入量采用相应的算法计算可以得到模糊控制器的输出量。
步骤2.4、对模糊值进行解模糊，确定PID控制参数。
常用的解模糊方法有三种：最大隶属度、中位数和重心法(COG)。最大隶属度法参考因素有局限，准确率较低，中位数法计算时间长，影响系统的实时性，所以作为一种具体实施方式，本发明采用使用最为广泛的重心法，得出输出论域上的实际参数变量值。重心法计算公式如下所示。
其中，u为PID控制参数的变化量，μ为输出量对子集的隶属度，μN(u)为与PID控制参数变化量对应的模糊值。
步骤3、根据控制参数变化量调整PID控制参数，对转台位置进行PID控制，使控制转台跟踪线缆。
本发明PID控制方法根据系统的误差和误差变化情况及时调整PID的控制参数，能够实现自动线缆跟踪，并且提高了跟踪的稳定性和对环境变化的鲁棒性。
针对上述装置，本发明还提出一种基于路径规划的激光除冰方法，针对不同情况设置除冰路径和模式，提高了作业效率，如图8所示，具体步骤如下：
步骤1、根据工作距离选择激光器。选择的激光器应为固体激光器，激光峰值功率应不少于7MW，激光单脉冲能量不少于60MJ，脉冲宽度为1064nm，光斑直径不超过1cm。
步骤2、根据覆冰情况确定除冰模式，共四种模式：
模式一：当覆冰下层有冰凌时，调转激光瞄准冰凌与线缆结点中心位置，利用热应力效应进行除冰。首先设置初始激光功率，然后调转激光瞄准冰凌与线缆结点中心位置，按照初始激光功率发射激光，利用热应力效应进行除冰，直至除冰完成。
模式二：当覆冰下层无冰凌且覆冰厚度少于1.5cm时，当覆冰下层无冰凌且覆冰厚度少于1.5cm时，调转激光沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰。首先设置初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度、扫描周期和功率增量，然后调转激光，按照初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰，一个周期完成后，增加功率，其他不变，继续做重复平移扫描，即按照现在的激光功率和激光扫描范围、扫描速度沿线缆轴心线做重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变直至除冰完成。
模式三：当覆冰下层无冰凌且覆冰厚度在1.5cm～3cm时，依次调转激光沿上层/下层覆冰的轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰。首先设置初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度、扫描周期和功率增量，一个周期内依次调转激光沿上层/下层覆冰的轴心线，按照初始激光功率、激光扫描范围、扫描速度重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰，一个周期完成后，增加功率，继续上层/下层重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变直至除冰完成。
模式四：当覆冰下层无冰凌且覆冰厚度大于3cm时，首先调转激光沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行熔冰，之后调转激光沿缆轴心线位置做波浪线扫描，应用热应力进行下层覆冰的清除，重复上述热融化和热应力除冰过程，直至下层覆冰掉落；最后沿上层覆冰的轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行上层覆冰清除。具体为:首先设置激光扫描范围、热融化初始激光功率、热应力初始激光功率、热熔化扫描速度、热应力扫描速度、热融化最高功率扫描时间和热融化功率增量，然后调转激光按照热融化初始激光功率、热熔化扫描速度、激光扫描范围沿线缆轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应使线缆轴心线位置的覆冰厚度减小，一个周期完成后，增加功率，继续重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变扫描一段时间；接着调转激光至缆轴心线位置，按照热应力初始激光功率、激光扫描范围、热应力扫描速度(作为一种具体实施方式，该数值为3倍热熔化扫描速度)，做波浪线扫描(作为一种具体实施方式，做锯齿形或正弦波形扫描)，依次重复上述热融化和热应力过程，直至下层覆冰掉落；最后进行上层覆冰清除，按照热融化初始激光功率、激光扫描范围、热熔化扫描速度沿上层覆冰的轴心线做重复平移扫描，利用热熔化效应进行除冰，一个周期完成后，增加功率，继续重复平移扫描，直至激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变直至上层覆冰清除完成。
作为一种具体实施方式，利用热应力效应除冰时，初始功率设置为激光器的功率上限。利用热融化效应除冰时，初始功率设置为激光器功率上限的30％；并且功率增量、扫描次数、扫描速度与工作距离的关系为：
功率增量为：其中Pmax为峰值上限功率，l为工作距离；
扫描次数为：其中l为工作距离，n取整数；
扫描速度为：其中l为工作距离，v的单位为°/s。
为了说明本发明除冰效果，选择工作距离为100m的场地进行除冰实验。此时选择DPSS纳秒激光器，其峰值功率可达到7MW，激光单脉冲能量可达到60MJ，脉冲宽度为1064nm，光斑直径3mm。
进行激光除冰时，根据覆冰情况选择模式：
模式一：当图像识别出覆冰下层有冰凌时，可利用应力效应加重力作用辅助除冰，初始激光功率调节到100％，调转激光瞄准冰凌与线缆结点中心位置，进行瞬时加热，使冰块产生很大的局部温度梯度，激光工作期间进行实时图像识别，直到图像识别出冰凌在重力作用下自行脱落或接收到其他操作指令为止；
模式二：当图像识别出覆冰下层厚度少于1.5cm时，可利用热熔化效应除冰，调转激光沿线缆轴心线方向采用重复平移扫描方式，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，利用激光热效应熔冰，扫描范围为图像最大倍数放大下视野宽度的1/4，激光功率从30％开始调节，每扫描5遍激光功率增加20％，按照初始激光扫描范围、扫描速度沿线缆轴心线做重复平移扫描，达到100％后功率维持不变，期间进行实时图像识别，直到图像识别出该处覆冰清除完成时停止，或接收到其他操作指令为止；
模式三：当图像识别出覆冰下层无冰凌且厚度为1.5～3cm时，可利用热熔化效应除冰，以线缆轴心线为分界线分为上层和下层，调转激光在覆冰在线缆的上层和下层覆冰的轴心线，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，利用激光热效应熔冰，重复上下层的平移扫描运动，激光功率从30％开始调节，上下层每扫描5遍激光功率增加20％，达到100％后功率维持不变，期间实时进行图像识别，直到图像识别出该处覆冰清除完成时停止，或接收到其他操作指令为止；
模式四：当图像识别出覆冰下层无冰凌且厚度为3cm以上时，此时覆冰较为厚重，可进行热熔化与热应力操作。先调转激光沿线缆轴心线利用热熔化效应除冰，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，扫描范围为图像最大倍数放大下视野宽度的1/4，激光功率从30％开始调节，每扫描5遍激光功率增加20％，激光扫描范围、热融化扫描速度不变沿线缆轴心线做重复平移扫描，激光器功率增加到上限后，维持上限功率不变扫描一段时间；之后暂停激光至冷却后，重新瞄准，使激光沿线缆轴心线位置，将激光功率调节到100％利用热应力进行除冰，初始激光扫描范围不变，转台以0.0009°/s的速度带动激光完成一个周期的波浪线扫描，依此重复重复热应力和热融化除冰操作，直至下层覆冰掉落；然后，针对覆冰上层做热熔化除冰，激光扫描范围不变，转台以0.0003°/s的速度带动激光进行扫描，设置初始激光功率为30％，每扫描5遍激光功率增加20％，达到100％后功率维持不变重复平移扫描，期间实时进行图像识别，直到图像识别出上层覆冰清除完成时停止，或接收到其他操作指令为止。
实验证明，本发明除冰方法综合热熔化和热应力两种原理进行除冰，能耗小，效率高；此外本发明方法操作简单，易于实现自动化，装置能够根据视觉反馈的目标信息进行分析与判断，执行相应的路径规划等除冰措施，无需过多人为操作，降低了作业人员的劳动强度和失误概率，安全性高，除冰效果好。