文獻(xiàn)綜述激光通信系統(tǒng)精跟蹤PID控制算法研究及實(shí)現(xiàn)專業(yè)機(jī)械工程一、激光通信概述隨著通信基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，當(dāng)前通信所采用的微波技術(shù)已經(jīng)不能滿足人們對信息傳輸速率的要求，另外，部分地區(qū)由于地貌，地勢等原因不宜鋪設(shè)光纜，這就需要一種可靠的無線通信技術(shù)來解決困難，基于此，激光通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。激光通信是指兩個或多個終端之間，利用激光束作為信息載體，以空間環(huán)境作為通信信道的一種通信技術(shù)。與無線電通信相比，大氣激光通信具有通信通量大、保密性高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；與光纖通信相比，大氣激光通信具有不用鋪設(shè)光纜、機(jī)動性強(qiáng)、建造和維護(hù)經(jīng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。另外，激光通信所能提供的高達(dá)TBPS量級的通信容量和新的通信譜段，是徹底解決目前寬帶不足和頻帶擁擠等瓶頸問題的希望所在。這項(xiàng)技術(shù)可以為無延遲網(wǎng)頁瀏覽、數(shù)據(jù)庫訪問、電子商務(wù)、實(shí)時音頻和視頻、視頻會議、實(shí)時醫(yī)學(xué)圖像傳輸和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供廣闊的前景。激光通信技術(shù)以其具有的種種優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是未來實(shí)現(xiàn)高速大容量通信的最佳方案。實(shí)現(xiàn)終端間的精確對準(zhǔn)，是建立穩(wěn)定的光通信鏈路的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)高精度激光通信的前提，捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)ACQUISITION，TRACKINGANDPOINTING，簡稱ATP系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)激光通信終端之間精確對準(zhǔn)的核心技術(shù)，其性能指標(biāo)很大程度上決定了整個通信系統(tǒng)的性能，已成為激光通信領(lǐng)域一個熱門的研究重點(diǎn)。二、激光通信高精度ATP技術(shù)1激光通信中的高精度ATP技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程激光通信ATP技術(shù)主要分為四個過程提前量控制光通信中，相距較遠(yuǎn)的兩個終端進(jìn)行通信時，由于激光傳輸需要一定的時間，如果雙方在此期間發(fā)生了相對位移，則接收光與發(fā)射光會產(chǎn)生一個偏差角。若接收終端沿對方信光束的方向返回，就不能準(zhǔn)確對準(zhǔn)對方，這就需要對發(fā)射光束進(jìn)行提前量控制。捕獲信標(biāo)光的捕獲，是指兩機(jī)光端機(jī)搜索不確定區(qū)域彼此互相尋找對方發(fā)射光束的過程。目標(biāo)捕獲要求在盡可能短的時間內(nèi)以較高的捕獲概率將端機(jī)調(diào)整到對方終端最可能出現(xiàn)的位置，并將對方發(fā)送的激光束鎖定在探測器視場中。跟蹤信標(biāo)光的跟蹤，是指兩機(jī)載光端機(jī)將捕獲到的信標(biāo)光向各自探測器視場中心移動。當(dāng)探測器視場接收到對方終端發(fā)出的光信號時，兩終端會根據(jù)探測器提供的視軸偏差，控制跟蹤機(jī)構(gòu)，使其視軸跟隨入射光信號的視軸發(fā)生變化，兩者正確指向?qū)Ψ揭曒S后，表明光通信鏈路已建立。雙方進(jìn)行通信的同時，跟蹤系統(tǒng)為抑制外界擾動維持通信鏈路穩(wěn)定，需要進(jìn)行復(fù)合軸控制，保持較高的光斑跟蹤精度，維持激光通信鏈路的穩(wěn)定。瞄準(zhǔn)瞄準(zhǔn)過程，即根據(jù)接收到的光束到達(dá)方向，將本地終端的發(fā)射光束對準(zhǔn)遠(yuǎn)端終端的過程。該過程通過探測器對光斑位置的反饋信息，對粗跟蹤進(jìn)行光路閉合，將粗跟蹤殘差控制在精跟蹤視場范圍內(nèi)，利用快速反射鏡進(jìn)行精跟蹤，將目標(biāo)穩(wěn)定在視場內(nèi)。2影響高精度ATP技術(shù)的主要因素在星地、星間、艦船、艦岸等激光通信過程中，ATP過程受到作用距離、大氣擾動、外界干擾、環(huán)境影響等眾多因素的影響，很難實(shí)現(xiàn)快速、高精度的跟蹤捕獲及激光通信的鏈路建立。這些因素主要有以下影響1）作用距離由于氣體分子和大氣氣溶膠分子的“散射”“吸收”，激光在大氣中傳輸時強(qiáng)度衰減很快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，傳輸損耗大氣衰減系數(shù)在極晴朗時為05DB/KM，雨天是38DBKM，霧天是310DBKM，雪天是320DBKM。通信距離越長，大氣衰減系數(shù)的影響就越大。2）大氣擾動大氣作用是大氣光通信及星地光通信面臨的最大問題，大氣中存在著各種微粒，如塵埃、煙、霧、小水滴等；還可能要發(fā)生各種復(fù)雜的氣象現(xiàn)象，如雨、霧、雪、霜等因素，在進(jìn)行信號傳輸特別是長距離通信時，激光信號的傳輸不可避免地會受到大氣環(huán)境的影響。激光通過大氣時，會受到云層、大氣湍流、大氣散射等影響，導(dǎo)致其相干性能下降，出現(xiàn)到達(dá)角起伏、光斑抖動、光強(qiáng)閃爍、光束漂移等現(xiàn)象,會使接收光信號受到嚴(yán)重干擾,通信誤碼率上升,甚至出現(xiàn)短時間通信中斷,嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，例如對083M的激光，在10KM等能見度的晴天，大氣引起的衰減達(dá)到11DB/KM以上，這對光通信的穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重的不良影響。3）外界干擾相對于地基平臺上的光電跟蹤系統(tǒng)，安裝在動基座上的跟蹤系統(tǒng)會受到載體運(yùn)動、振動等影響，造成系統(tǒng)視軸晃動、抖動、成像模糊，嚴(yán)重影響跟瞄精度。在運(yùn)動狀態(tài)下，載體運(yùn)動以及其他干擾力矩使得光電系統(tǒng)視軸偏離跟蹤目標(biāo)，甚至丟失目標(biāo)。同時，載體的振動也會通過機(jī)械耦合到光電跟蹤系統(tǒng)上，造成視軸抖動，引起成像模糊。這不僅影響成像質(zhì)量，還使得目標(biāo)提取困難，脫靶量提取精度降低，從而導(dǎo)致跟蹤精度下降。例如在艦載光電系統(tǒng)中，由于海浪、風(fēng)矩等的影響，造成安裝在甲板上的儀器視軸產(chǎn)生低頻大幅度的晃動，如果不對視軸進(jìn)行穩(wěn)定控制，嚴(yán)重時目標(biāo)將偏出視場范圍，無法達(dá)到精確跟蹤的目的；在坦克、裝甲戰(zhàn)車等車載平臺上，需要頻繁機(jī)動、停止等運(yùn)動，必須具有高精度的視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)來隔離載體擾動、獲取穩(wěn)定視場，保證光電系統(tǒng)能夠在高度機(jī)動環(huán)境下仍然具有高精度的跟蹤能力。4）粗跟蹤殘差粗跟蹤系統(tǒng)通過編碼器和探測器得到視軸誤差，具有較大的跟蹤范圍但跟蹤精度不高，其跟蹤精度不僅依賴于系統(tǒng)自身特性，還與外界激勵和噪聲源特性有關(guān)，粗跟蹤殘差主要有四種來源。1）動態(tài)滯后誤差由于兩個端機(jī)間存在相對運(yùn)動，跟蹤過程中視軸的角速度和角加速度相對于位置伺服單元將產(chǎn)生動態(tài)滯后誤差。2平臺振動殘差由于衛(wèi)星平臺會存在較強(qiáng)烈的隨機(jī)振動，其通過伺服轉(zhuǎn)臺作用于視軸，將引起視軸的隨機(jī)抖動，它是影響跟蹤精度最主要的誤差來源；3CCD光斑質(zhì)心檢測誤差由于光斑大小、光斑功率空間分布、圖像信噪比和光斑檢測算法的不同，將使光斑質(zhì)心檢測精度存在誤差。4各種力矩干擾誤差包括線擾力矩、不平衡力矩和摩擦力矩等引起的誤差。粗跟蹤殘差的存在也會對激光通信的精度產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。三、國內(nèi)外激光通信ATP技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀現(xiàn)今各激光通信設(shè)備參數(shù)匯總項(xiàng)目名稱國家時間傳輸距離跟蹤精度捕獲時間光束波長LASERCOM美國2005150KM2MRAD/720800JUCE日本/30000KM2URAD360S797808LCE日本/40000KM2URAD720S830/510STRV2美國/2000KM2URAD100S810/852SILEX歐洲/45000KM2URAD240S797853激光通信的前提條件就是要保證通信鏈路的持續(xù)可靠維持，而窄束散角的激光發(fā)射光束，以及遠(yuǎn)距離的可靠、安全傳輸又給通信鏈路的長時間建立提出了挑戰(zhàn)。為了滿足這一要求并且達(dá)到更高的跟蹤精度，當(dāng)前空間激光通信系統(tǒng)多采用粗精復(fù)合軸結(jié)構(gòu)。精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有諧振頻率高、響應(yīng)速度快、動態(tài)滯后誤差小等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了主軸系統(tǒng)的不足，而其工作范圍小的缺點(diǎn)有主軸系統(tǒng)予以補(bǔ)償，兩者作用合成，便可實(shí)現(xiàn)大范圍的快速高精度跟蹤。復(fù)合軸系統(tǒng)中，粗跟蹤子系統(tǒng)通過編碼器和探測器得到視軸誤差，調(diào)節(jié)視軸指向，實(shí)現(xiàn)粗跟蹤，并將目標(biāo)引入精跟蹤視場；精跟蹤單元具有較高的采樣速率、寬帶大、高精度特性?？蓽p小因視軸誤差引起的光能量損失，并有效抑制因平臺及其它干擾引起的誤差，且響應(yīng)速度快。但由于各種外部擾動的存在，很難使跟瞄精度達(dá)到幾微弧度量級，這就需要引進(jìn)控制帶寬更高的二級控制系統(tǒng)（快反鏡系統(tǒng)），采用傳統(tǒng)的一級跟蹤加二級精跟蹤共同參與的復(fù)合軸控制結(jié)構(gòu)，當(dāng)一級控制系統(tǒng)控制精度達(dá)到精控制系統(tǒng)要求時啟動二級精控制系統(tǒng)，兩者相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的高精度跟蹤?？焖俜瓷溏R（FASTSTEERINGMIRRORS,簡稱FSM）是近幾年發(fā)展起來的一種用于精密穩(wěn)定跟蹤的技術(shù)手段，是一種采用壓電陶瓷等驅(qū)動元件驅(qū)動反射鏡面在光源和接收器之間精確控制光束方向的裝置。由于其諧振頻率高、轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)速度快、動態(tài)滯后誤差小等優(yōu)點(diǎn)，可達(dá)到很高的定位精度和跟蹤精度，在高精度光通信中得到廣泛使用，發(fā)揮了重要的作用。四、FSM控制算法的發(fā)展1快速反射鏡簡介現(xiàn)今，生產(chǎn)快反鏡的企業(yè)主要有德國PI公司、美國NEWPORT公司等，兩家公司的主要FSM產(chǎn)品參數(shù)如下NEWPORT公司FSM30001快反鏡PI公司S3002SL參數(shù)對比MIRRORASSEMBLYFSM30001S3002SLNUMBEROFAXES22ANGULARRANGEFROM10262MRAD15,MECHANICAL135MRADREPEATABILITY3RADRMS,MECHANICAL11RADRMS,MECHANICALLINEARITY1001工作溫度0TO50C32TO122F20TO80C質(zhì)量045KG02KG反射鏡直徑254MM254MM鏡子厚度60MM60MM2控制算法快速傾斜鏡廣泛應(yīng)用在精密校正系統(tǒng)中，如自由空間通信，視軸穩(wěn)定等。通常使用CCD傳感器來檢測目標(biāo)，為控制系統(tǒng)提供位置偏差。該偏差作為快速反射鏡的輸入信號，由此形成閉環(huán)系統(tǒng)。時間延遲是控制性能最大限制，它嚴(yán)重限制了閉環(huán)性能。如何在延遲系統(tǒng)中，提高閉環(huán)性能一直是一個技術(shù)難題。有很多文獻(xiàn)研究了具有CCD閉環(huán)的FSM控制系統(tǒng)。提高硬件和軟件水平，減小延遲時間是許多研究者優(yōu)先考慮的方法。但一味的減小CCD的積分時間，其探測性能會受到很大的影響。有人提出采用預(yù)測控制，補(bǔ)償時間延遲，然而預(yù)測控制容易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。并且預(yù)測控制很難預(yù)測白噪聲，尤其在測量噪聲很大的情況下，系統(tǒng)的性能會受到很大的限制?，F(xiàn)今在快反鏡控制領(lǐng)域比較常用的是PID控制，可以很好的對位置偏差進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)滿意的控制效果。PID控制是自動控制中產(chǎn)生最早的一種控制方法,可追溯到我國北宋年間發(fā)明的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)水運(yùn)儀象臺；理論上最早提出是在上世紀(jì)20年代，MINORSKY在對船舶自動導(dǎo)航的研究中,提出了基于輸出反饋的PID控制器的設(shè)計(jì)方法，基本思想是將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。PID理論自提出之日起就成為控制領(lǐng)域的熱點(diǎn)，目前PID控制器已在過程控制中得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)據(jù)表明PID控制在實(shí)際控制工程中所占的比例在90以上，由于PID控制的簡便易懂加之良好的控制效果，人們不斷加深對其的研究，各種新型的控制算法不斷涌現(xiàn)。上世紀(jì)五十年代人們提出的自適應(yīng)控制理論，在七八十年代取得了突破性進(jìn)展，1973年ASTROM成功將自校正調(diào)節(jié)應(yīng)用在造紙廠中。1974年吉爾巴特和溫斯頓GILBARTNADWINSTON在24英寸的光學(xué)跟蹤望遠(yuǎn)鏡中利用模型參考自適應(yīng)控制把跟蹤精度提高了五倍以上。八十年代至今，自適應(yīng)控制技術(shù)得到進(jìn)一步推廣，更具有實(shí)用性的新自適應(yīng)方法和算法大量出現(xiàn)如，全系數(shù)自適應(yīng)控制方法，自適應(yīng)PID等。自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)是一個具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，被控對象為時變系統(tǒng)或其精確數(shù)學(xué)模型不確定的時候，它能夠認(rèn)識環(huán)境的變化，并自動校正控制動作，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)或次優(yōu)的控制效果。自適應(yīng)控制系統(tǒng)仿真框圖如下自適應(yīng)規(guī)律的推導(dǎo)對給定的單輸入單輸出的被控對象，給出卡爾曼模型為AYKBUKCK111式中A，B，C分別為輸出變量，控制變量，噪聲的加權(quán)多項(xiàng)式，并111且滿足A、C穩(wěn)定。11A1A1A2AN112BB0B1B2BNB00112C1C1C2CE112YK是輸出量，UK是控制量，K為零均值，方差為的白噪聲序列，是單位21后移算子。要求當(dāng)前控制量UK使過程在噪聲干擾下的輸出YK跟蹤設(shè)定信號YK，同時使得下式的指標(biāo)函數(shù)極小化。JEP1YKDR1YK21UK2式中、為的有限多項(xiàng)式。為首一化的。E為數(shù)學(xué)期P11R111望算符。在受控對象為已知的情況下。利用DIOPHANTINE方程能解出滿足上述條件的控制規(guī)律。自適應(yīng)控制器的工作過程是在閉環(huán)系統(tǒng)受到擾動時對系統(tǒng)誤差E的時間特性進(jìn)行模式識別，分別識別出該過程響應(yīng)曲線的多個特征參數(shù)如超調(diào)量、阻尼比、衰減震蕩周期、上升時間等。將所測出的特征參數(shù)值與事先設(shè)定好的特征參數(shù)值進(jìn)行比較，其偏離量送入自適應(yīng)系統(tǒng)，自適應(yīng)系統(tǒng)在線推斷出為消除各特征量的偏離而控制器各參數(shù)所應(yīng)有的校正量，再將它們送入常規(guī)的PID控制器，以修正PID控制器各個參數(shù)。同時，控制器根據(jù)系統(tǒng)誤差E以及所整定的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，輸出控制信號U對被控對象進(jìn)行控制。直到被控過程響應(yīng)曲線的特征參數(shù)滿足期望的要求。加拿大宇航局的朱文紅等提出通過直接測量負(fù)載單元的輸出力實(shí)現(xiàn)液壓缸輸出力自適應(yīng)控制的策略。輸出力誤差不僅用于反饋控制，而且用于動態(tài)更新摩擦模型的參數(shù)，這樣可保證缸內(nèi)壓力誤差和輸出力誤差的穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明自適應(yīng)摩擦補(bǔ)償比固定參數(shù)摩擦補(bǔ)償效果更好。液壓缸輸出力控制的優(yōu)異性能使其動態(tài)性能在預(yù)定的帶寬內(nèi)與電驅(qū)動馬達(dá)相當(dāng)，從而可以用一個液壓機(jī)器人仿效電驅(qū)動機(jī)器人。自適應(yīng)PID與常規(guī)PID的比較算法響應(yīng)速度超調(diào)量實(shí)際系統(tǒng)平穩(wěn)性控制精度對象變化時參數(shù)是否需要重新整定結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算量對外界干擾是否有抑制能力穩(wěn)態(tài)誤差自適應(yīng)PID快小系統(tǒng)故障時可能產(chǎn)生誤操作高否復(fù)雜大無較小PID一般較大好一般是簡單小無一般自抗擾控制是中國科學(xué)院韓京清教授提出的一種新型的反饋線性化控制器。該控制方法由九十年代初提出的非線性PID控制策略演化而來，該技術(shù)使用跟蹤微分器對給定進(jìn)行平滑跟蹤并且給出其微分信號，使用擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器將輸出的及其微分進(jìn)行平滑估計(jì)，得到總擾動的估計(jì)值，減小誤差的積分，有利于增強(qiáng)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性和抗擾動能力，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于電機(jī)、船舶控制領(lǐng)域。自抗擾PID控制的結(jié)構(gòu)圖如下安排過渡過程非線性反饋1/BB擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對象E1E2V1V2U0UZ3YZ1Z2V對一個給定值為RT，系統(tǒng)的控制量為UT，系統(tǒng)輸出為YT，外擾為WT的二階控制系統(tǒng)，其自抗擾控制算法為跟蹤微分器TD12FST,RT,R,H212擴(kuò)張狀態(tài)觀測器ESOTYT2FAL,BUT120111Z3FAL,BUT20221FAL,30331非線性反饋NLSEF111222FAL,FAL,011422252U030其離散算法的實(shí)現(xiàn)為1、跟蹤一微分器TDK1KHK112K1KHFSTKK,K,R,221020適當(dāng)選擇參數(shù),就能安排對象可期望的過渡過程并給出微分信號1,22、估計(jì)狀態(tài)和總擾動ESO方程KYK11K1KHK112011K1KHKFAL,UK22302110K1KHFAL,330312式中SIGNE|E|0|E|FALE,A,|E|1適當(dāng)選擇，就能很好地估計(jì)出被控量Y和Y的微分，1201020312則3可以估計(jì)出擾動。3、控制量的形成KK111KK222FAL,FAL,011102220UKK030其中，是安排的過渡過程和系統(tǒng)的估計(jì)之間的誤差及其微分。適當(dāng)選擇參數(shù)1211，構(gòu)造控制輸入分量。,這是對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一種非線性配置,1212000而實(shí)際的控制量為U，其中K/為補(bǔ)償對象模型和外擾作用的分量。這個控制器的30算法只需對象的輸入輸出數(shù)據(jù)UK和YK。過渡過程由跟蹤微分器實(shí)現(xiàn)，其作用是給出不可微輸入信號的跟蹤信號及其微分信號。擴(kuò)張狀態(tài)觀測器可實(shí)時估測出被控對象的狀態(tài)變量和系統(tǒng)的未知擾動信號,并予以補(bǔ)償。非線性反饋控制器將微分器的輸出信號與觀測器觀測到的相對應(yīng)的狀態(tài)變量作差值,經(jīng)非線性組合產(chǎn)生不包含擾動的控制量,以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度,減小超調(diào)量。哈爾濱工程大學(xué)在自治式水下機(jī)器人航向控制中引入自抗擾控制,提高了航向控制的精確性、魯棒性和穩(wěn)定性，其設(shè)計(jì)的無人水下航行器UUV垂直面自抗擾控制器能夠有效抑制海浪的干擾，具有較好的控制效果和抗擾能力。自抗擾PID與常規(guī)PID的比較算法響應(yīng)速度超調(diào)量實(shí)際系統(tǒng)平穩(wěn)性控制精度對象變化時參數(shù)是否需要重新整定結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算量對外界干擾是否有抑制能力穩(wěn)態(tài)誤差自抗擾PID快小好高是復(fù)雜大有有些情況下會增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差PID一般較大一般一般是簡單小無較小模糊PID是近年來發(fā)展起來的新型控制策略，其優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，由該表決定控制量的大小。模糊PID著眼于控制的過程（在PID控制范圍內(nèi)）、系統(tǒng)的動態(tài)特性及非線性（包括負(fù)載的改變），通過向PID運(yùn)算器內(nèi)輸入假定設(shè)定值使系統(tǒng)運(yùn)行起來，可以有效地提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和控制精度，當(dāng)前在熱處理設(shè)備控制技術(shù)中得到廣泛關(guān)注。模糊PID控制的仿真框圖入下模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)方法1）精確量的模糊化將精確量X的實(shí)際變化范圍A,B轉(zhuǎn)換到區(qū)間N,N,這種轉(zhuǎn)換過程我們稱之為精確量的量化。量化過程采用如下公式Y(jié)2NXAB/2/BA模糊化一般是把論域中某一精確點(diǎn)模糊化為在論域上占據(jù)一定寬度的模糊子集。將原區(qū)間變化的離散化了的精確量與表示模糊語言的模糊量建立關(guān)系，用模糊量Z來表示區(qū)間內(nèi)的任意精確量。2模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模糊控制的關(guān)鍵，一般包括三部分設(shè)計(jì)內(nèi)容選擇描述輸入輸出變量的詞集，定義各模糊變量的模糊子集和建立模糊控制器的控制規(guī)則。A選擇描述輸入輸出變量的詞集模糊控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句。在條件語句中描述輸入輸出變量狀態(tài)的一些詞匯（如在“正大”、“負(fù)小”等）的集合，稱為這些變量的詞集。一般選用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入、輸出變量的狀態(tài)。由于人的行為在正、負(fù)兩個方向的判斷基本上是對稱的。將大、中、小再加上正、負(fù)兩個方向并考慮變量為零的狀態(tài)。共有七個詞匯，即負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大用英文字母首個字母縮寫為NB,NM,NS,O,PS,PM,PB其中NNEGATIVE,PPOSITIVE,BBIG,MMEDIUM,SSMALL,OZERO。選擇較多的詞匯描述輸入、輸出變量，可以使制定的控制規(guī)則更加具體，但是控制規(guī)則相應(yīng)變得復(fù)雜；選擇詞匯過少，使得描述變量變得粗造，導(dǎo)致控制器的性能變壞。一般情況下，選擇上述七個詞匯，也可以根據(jù)系統(tǒng)需要選擇三個或五個語言變量。描述輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來表示。因此，模糊概念的確定性問題就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題。B定義各模糊變量的模糊子集定義一個模糊子集，實(shí)際上就是要確定模糊子集的隸屬函數(shù)。將確定的隸屬函數(shù)曲線離散化，就得到了有限各點(diǎn)上的隸屬度，便構(gòu)成了一個相應(yīng)的模糊變量的模糊子集。常用的隸屬函數(shù)有三角形型隸屬度函數(shù)這種隸屬函數(shù)的形狀和分布由三個參數(shù)表示一般可描述為FX,A,B,C0,，0，高斯型隸屬度函數(shù)它用兩個參數(shù)來描述，其中參數(shù)C決定了函數(shù)的中心點(diǎn),的大小影響函數(shù)曲線的寬度，而隸屬函數(shù)曲線的形狀不同會導(dǎo)致不同的控制特性。表述為FX,C,，這種函數(shù)的特點(diǎn)是連續(xù)且處處可導(dǎo)，適合于自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)模糊控制的隸屬22度函數(shù)修正。模糊PID系統(tǒng)包括一個常規(guī)PID控制器和一個模糊控制器。偏差和偏差的變化率作為模糊系統(tǒng)的輸入，三個PID參數(shù)的變化值作為輸出，在運(yùn)行中通過不斷檢測E和EC，根據(jù)事先確定好打模糊控制規(guī)則作出模糊推理在線改變PID參數(shù)的值，以滿足不同E和EC時對PID控制器參數(shù)的不同要求，從而實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。模糊控制可以用來設(shè)計(jì)節(jié)電控制器，日光燈以220V電壓輸出，運(yùn)行穩(wěn)定后再降到200V，190V或180V低電壓輸出。系統(tǒng)通過不斷檢測在線電壓值來獲取其與標(biāo)準(zhǔn)電壓值的差E，偏差變化CE以及控制量變化U進(jìn)行模糊化，進(jìn)而通過查量化因子及比例因子修正表對E和CE進(jìn)行重新量化，然后查模糊控制規(guī)則表，對輸出量電壓進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)證明，該節(jié)電照明控制系統(tǒng)的節(jié)電效率為25左右。該系統(tǒng)僅具有節(jié)電、延長燈泡壽命的功能，而且能使日光燈在電壓波動較大范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。模糊PID與常規(guī)PID的比較算法響應(yīng)速度超調(diào)量實(shí)際系統(tǒng)平穩(wěn)性控制精度對象變化時參數(shù)是否需要重新整定結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算量對外界干擾是否有抑制能力對復(fù)雜系統(tǒng)的控制能力模糊PID快小系統(tǒng)故障時可能產(chǎn)高是復(fù)雜需要借助工程人員無好生誤操作的工程經(jīng)驗(yàn)PID一般較大一般一般是簡單小無差五、總結(jié)隨著智能控制理論的不斷發(fā)展，智能PID算法也在不斷涌現(xiàn)，當(dāng)前PID控制及其控制器或智能PID控制器（儀表）已經(jīng)十分成熟，部分產(chǎn)品已在工程實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，各大公司都在積極開發(fā)具有PID參數(shù)自整定功能的智能調(diào)節(jié)器INTELLIGENTREGULATOR），其中PID控制器參數(shù)的自動調(diào)整通過智能化調(diào)整或自校正、自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用PID控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn)PID控制功能的可編程控制器PLC），還有可實(shí)現(xiàn)PID控制的PC系統(tǒng)等等。數(shù)據(jù)表明PID控制在實(shí)際控制工程中所占的比例在90以上，由于PID控制的簡便易懂加之良好的控制效果，各種新型的控制算法不斷涌現(xiàn)，這種經(jīng)典的控制算法會以各種新形勢，繼續(xù)在工業(yè)自動化中發(fā)揮作用。主要參考文獻(xiàn)1徐飛飛,紀(jì)明,解靜,牛靜,高瑜,胥青青FSM在高精度瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)中的應(yīng)用研究J應(yīng)用光學(xué),2012,019132付強(qiáng),姜會林,王曉曼,劉智,佟首峰,張立中空間激光通信研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J中國光學(xué),2012,021161253韓幫華PID控制器參數(shù)整定方法及應(yīng)用研究D青島科技大學(xué),20094柳宗安XY軸型跟瞄裝置粗精復(fù)合控制系統(tǒng)建模與仿真D西安電子科技大學(xué),20055馮艷平星間光通信ATP跟蹤控制環(huán)路研究及FPGA實(shí)現(xiàn)D電子科技大學(xué),20066林浩模糊PID控制器仿真研究D貴州大學(xué),20067劉敏快速傾斜鏡的建模與模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)研究J光學(xué)技術(shù),2008,011081128武琳,應(yīng)家駒,耿彪大氣湍流對激光傳輸?shù)挠绊慗激光與紅外,2008,109749779崔雅靜,杜艷麗,王曉雷自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)J控制工程,2008,S212812915710馬佳光,唐濤復(fù)合軸精密跟蹤技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展J紅外與激光工程,2013,0121822711陳修濤,侯再紅,譚逢富一種基于壓電陶瓷的目標(biāo)精跟蹤系統(tǒng)J微計(jì)算機(jī)信息,2010,22323312312盧亞平基于C語言的數(shù)字PID控制算法及實(shí)現(xiàn)J科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010,30242513林偉,馮海,張南綸壓電陶瓷致動器的動態(tài)控制模型及邏輯規(guī)則控制J納米技術(shù)與精密工程,2007,01606314歐林林,顧誕英,張衛(wèi)東基于幅值裕度和相位裕度的PID參數(shù)最優(yōu)整定方法J控制理論與應(yīng)用,2007,0583784015白金,韓俊偉基于MATLAB/SIMULINK環(huán)境下的PID參數(shù)整定J哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2007,0667367668116王述彥,師宇,馮忠緒基于模糊PID控制器的控制方法研究J機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2011,0116617217胡