【word】 陀螺仪温度的模糊控制系统.doc

陀螺仪温度的模糊控制系统第24卷第lO期计算机仿真2007年10月文章编号:10069348(2007)10016104陀螺仪温度的模糊控制系统袁战军,谢利理,王瑾,胡大伟(西北工业大学自动化学院,陕西西安710072)摘要:为了提高陀螺仪温度控制系统的动态性能和控制精度,对传统的PID算法存在的不足进行了分析,提出了基于C8051F120单片机的陀螺仪温度模糊控制系统的设计方法,包括系统的硬件设计,软件设计和模糊控制器设计的方法;并通过计算机仿真和现场调试,结果表明模糊控制器比PID控制器具有更高的稳态精度和更快的动态响应速度.在系统设计中,所采取的软,硬件设计措施及模糊控制器的设计方法具有一定通用性,也可以应用到其它设备的温度控制系统中.关键词:陀螺;模糊控制;温度控制系统;计算机仿真中图分类号:TP273文献标识码:ATemperatureFuzzyControlSystemofGyroscopeYUANZhanian,XIELili,WANGJin,HUDaWei(CollegeofAutomation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,XianShanxi710072,China)ABSTRACT:Inordertoimprovethedynamicperformanceandcontrolprecisionofgyroscopetemperaturecontrolsystem,thispaperanalyzesthedisadvantageoftraditionalPIDalgorithm,andbringsforwardtemperaturefuzzycontrolsystemdesignmethodsofgyroscopebasedonC8051F120singlechip,includinghardwaredesign,softwaredesignandfuzzycontrollerdesign.Throughcomputersimulationandindustrialfielddebugging,theresultsshowthatfuzzycontrollerhashighersteadystateaccuracyandfasterspeedofdynamicresponsethanthePIDcontroller.Insystemdesign,thesoftwareandhardwaredesignmeasuresandfuzzycontrollerdesignmethodareuniversal,itcanbeappliedtootherequipmenttemperaturecontrolsystem.KEYWORDS:Gyroscope;Fuzzycontrol;Temperaturecontrolsystem;Computersimulation1引言陀螺仪作为惯性导航系统的核心部件,其测量信号的精度直接影响到导航系统的制导精度.由于陀螺仪对温度变化很敏感,所以提高陀螺仪温度控制系统的精度就成为了整个惯性导航系统设计的重要环节.传统的陀螺仪温度控制系统常采用PID算法,但该算法存在着明显的不足:首先,当外界条件变化时,系统参数也会随之发生改变,要求PID参数必需进行一定调整,否则会导致系统动态特性变差,控制精度下降.其次,在温度偏差较大时,容易出现积分饱和现象,导致系统超调量大,控制时间过长等问题.针对以上问题,本文以C8051F120单片机为核心,采用模糊控制方法,实现了陀螺仪温度控制系统的设计,较好的解决了PID控制系统中存在的不足,提高了系统的温度控制收稿13期:20070611修回13期:20070622精度.2系统结构及工作原理基于C8051F120单片机的陀螺仪温度控制系统的结构框图如图1所示.图1系统结构框图整个系统主要由C8051F120单片机,温度数据采集电路,过零检测与触发电路,键盘与显示电路,存储电路(cF卡),声光报警电路,复位电路及相应的控制软件等几部分组成.系统的工作原理如下:陀螺仪温度信号由温度传感器,变送器进行采集和变换,经A/D转换后将相应的数字量送给单片机;单片机在对此数字量进行一定处理后,一方面进行显示和存储,另一方面与温度设定值相比较获得温度偏差,由此通过模糊逻辑控制器的运算,处理,得到相应的控制量,依此改变在一个给定周期中加热丝的加热时间,实现对陀螺仪温度的实时控制.12V图2温度检测电路3陀螺仪温度控制的数学模型双相可控硅陀螺仪温度系统一般属于一个带有纯滞后的一阶惯性为实现晶闸管在交流电压过零时刻触发的目的,2i-I-T环节,其传递函数可表示为:交流电压过零检测电路,如图3所示.,:南式中,是被控对象的放大系数,是被控对象的时间常数,r是纯滞后时间.利用脉冲响应法确定被控对象的参数为:=3,=lOOs,r=23s.代人(1)式,可得本文所研究的陀螺仪温度系统的传递函数为:G(.s)=(2)4系统的硬件设计4.1温度数据采集电路系统的温度数据采集电路包括温度检测电路和A/D转换电路两部分.温度检测电路主要完成对温度信号的采集和放大,使其成为A/D转换器可识别的电压信号J.集成温度传感器AD590具有线性度好,精度高,使用方便等优点,所以在电路设计中被用来检测陀螺仪温度.AD590工作特性如下:温度每增加1,输出电流相应增加1A;输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度),在负载电阻R上的输出电压V=I×R.温度检测电路如图2所示.电路中R取10K,电压跟随器的输出电压V2=(2.73+T/100)伏;用齐纳二极管作为稳压元件,经可变电阻分压,将V1调整到2.73伏;则差动放大器的输出电压V0=T/10伏,V0和摄氏温度成比例关系.A/D转换电路将采集到的温度信号转换成数字量送给单片机.系统选用高精度的12位A/D转换器AD574芯片.4.2过零检测与触发电路系统对陀螺仪的温度控制采用可控硅调功率法,将双相可控硅串在航空逆变电源(400Hz正弦波,线一线电压36V)一162一图3过零检测与触发电路图中电压比较器LM311将400Hz正弦交流电压变成方波.方波的正,负跳沿分别作为两个单稳态触发器的触发信号,触发器输出的窄脉冲经二极管或门,得到对应于交流电源过零时刻的同步脉冲,将此脉冲接至双相可控硅的控制端,使可控硅在交流电压过零时刻触发导通.5模糊控制器设计5.1模糊控制器结构确定由于二维模糊控制器具有非线性控制规律,有利于保证系统稳定性,减少响应过程超调量.系统根据陀螺仪温度变化的非线性与时滞性,选用二维模糊控制器,其结构如图4所示.模糊控制器I一一一一一1图4二维模糊控制器5.2模糊语言变量及隶属度函数确定模糊控制器的输入语言变量为温度的误差e和误差变化率ec,输出变量为可控硅导通时问占空比的变化量u.温度误差e=tT,式中:t为实际温度,T为温度设定值.误差e的基本论域为一60%,+60%,e的模糊论域X=一6,一5,一4,一3,一2,1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,则误差e的量化因子k.=6/6o=0.1.语言变量选取7个语言值:PB,PM,PS,0,NS,NM,NB.误差变化率ec的基本论域为一24,+24,ec的模糊论域Y=一6,一5,一4,一3,一2,一1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,误差变化率ec的量化因子k.=6/24=0.25.语言变量EC选取7个语言值:PB,PM,PS,0,NS,NM,NB.控制量变化U的基本论域为一0.6,0.6,U的模糊论域z=一6,一5,一4,一3,一2,一1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6,控制量变化U的比例因子k.=0.6/6=0.1.语言变量0选取7个语言值:PB,PM,PS,0,NS,NM,NB.通过实践经验总结,确定各语言变量模糊子集的隶属度函数,据此建立语言变量E,EC,u的赋值表,如表1表3所示.表1语言变量雹的赋值表-6.5.4-3.2.10+1卜2+3+4+5+6PBO.2O.71PMO.2O.71O.70.2PS01071070.10010710.70.1NS0.10.71070.1NMO.2O.71O.7O.2NB10.70.2表2语言变量匠的赋值表PB0.2071PM0.20.810.80.2PS020.81080.200.510.5NS0.20.810.802NM0.20810.80.2NB10.70.2墨堕宣奎曼旦塑壁笪壅?6?5-4?3?2?10+1+2+3+4+5十6PB0.20.71PM0.20.810.80.2PS0.10.810.80.100.510.5NS010.810801NM0.20.810.80.2NB1070.25.3模糊控制规则设计模糊控制规则的设计原则是系统输出响应的动静态特性达到最佳.当误差大或较大时,选择控制量以尽快消除误差为主;而误差较小时,选择控制量要注意防止超调,以系统稳定性为出发点.根据实际运行经验进行试验,分析,归纳,确定陀螺仪温度控制规则如表4所示,表中有×的空格量论域中,再根据量化结果直接查找模糊控制器查询表以获得控制量,实现系统快速实时控制.一l63一阳一xx一一2一.而.一22阳MMMMMMBB阳阳333旺一XXNPPPPu一阳.表5模糊控制器查询表6系统的软件设计系统的应用程序主要包括主程序,控制程序和一些子程序.主程序主要完成系统的初始化功能,调用键盘扫描子程序,显示子程序,完成对温度设定值的修改和实时显示采样温度,并等待11D中断产生J,主程序流程图如图5所示.控制程序采用两重中断嵌套方式.首先使11D计数器产生每秒一次的定时中断,作为系统采样周期.其次在11D中断服务程序中依次完成以下工作:启动A/D转换,读入采样数据,进行数字滤波,上下限报警处理;调用模糊控制子程序,根据温度偏差及偏差变化率,用查表法获得可控硅导通时间占空比的变化量U.调用输出子程序,由U值计算出输出控制脉冲的宽度,据此设定T1定时器初值,通过I/O线(P1.3)控制可控硅的通断,达到控制温度的目的.控制程序流程图如图6所示.(圭里壁)生设堆栈二二工二二8155初始化二二二清暂存单元二二二二清显示缓冲区二二二T0初始化二二二二CPU开中断调键盘扫描子程序二二显示温度,等待T0dPi图5主程序流程图图6控制程序流程图7计算机仿真及实验为比较PID控制器和模糊控制器在陀螺仪温度控制中的性能差别,并为实际模糊控制器的设计提供一些理论依,-164,-据,在MATLAB环境下进行了系统的仿真研究.在仿真中,采用(2)式所示的传递函数,对比在这两种控制器控制下陀螺仪温度系统的阶跃响应特性,响应曲线如图7,图8所示.图7PID控制的阶跃响应曲线图8模糊控制的阶跃响应曲线仿真结果表明,PID控制器响应速度较慢,约68秒才能达到稳态值,系统的超调量大,约为16%;而模糊控制器动态响应速度快,约45秒系统就进入稳态,并且无超调,稳态精度高,接近于零.通过对比可知,模糊控制具有更好的动态控制性能和控制精度,更能满足系统对陀螺仪温度的控制要求.在调试中,将陀螺仪置于环境温度下,人为的加入干扰使环境温度发生突变(如吹风,加热等),来观察当温度设定值为50时,系统的升温过程及陀螺仪内部温度恒定后温度保持情况.实验结果表明,温度设定值在50%时,系统的温度控制精度达到±0.05%,且动态调整过程时间较短,系统运行稳定可靠.8结束语本文以C8051F120单片机为核心,采用模糊控制算法实现了陀螺仪温度控制系统的软,硬件设计;重点介绍了模糊控制器的设计方法和步骤;并进行了系统仿真和现场实验,结果表明模糊控制比PID控制具有更好的动态控制性能及精度.说明本系统设计方案和实现电路的正确性;同时,在系统设计中所采取的方法和措施具有一定通用性,对其它设备温度控制系统的设计也有可借鉴之处.(下转第203页)雨雪粒子渲染到屏幕帧缓冲上,并最终显示出来,若将粒子以三角型或矩形图元加粒子贴图的方法渲染,则每个粒子分别需要3个或4个顶点向量描述,若以点精灵的形式渲染粒子,则每个粒子只需一个顶点向量描述,大大减少了数据传输量和绘图指令数量,可提高粒子系统性能,因此这里采用了点精灵的形式渲染粒子,由于粒子的各种属性信息都以纹理贴图的形式存储在高效的显存中,GPU可高速地访问各种粒子信息并完成粒子的绘制,而不需要中途与CPU进行通讯.1O结论基于GLSL(OpenGLShadingLanguage)语言编程实现的上述雨雪效果模拟粒子系统,图形处理器可通过渲染一张分辨率为1024×1024的纹理,来进行约含100万粒子的雨雪场图4雪效果视景仿真程序截图景模拟,程序运行截图如图4所示,在CPU为P42.8G,显卡为nVIDIAGeForceFX5900XT的硬件条件下,视景仿真可达到15帧每秒的刷新速度,随着图形显示硬件的快速发展,基于GPU的粒子系统的性能还会有大幅提高,而有待解决的问题还有很多,如在雨雪效果的模拟中,雨雪粒子与环境的互动就有粒子的碰撞检测问题,雪在地面的堆积效果的模拟问题等,这些问题都需要在以后的研究中予以解决,以取得更加的模拟效果.参考文献:1DavidRogers.计算机图形学的算法基础M.北京:机械工业出版社,2002.2谢剑斌.基于粒子系统的雨点和雪花降落模拟生成J.中国图像图形,1999,(9).3王润杰,田景全,倪政国.基于粒子系统的实时雨雪模拟J.系统仿真,2003,15.4JohnDOwens,DavidLuebke,NagaGovindaraju.ASurveyofGeneralPurposeComputationonGraphicsHardwareM,EUR0GRAPHICS.2005.5ELindholm,MJKilgard,HMoreton.AuserprogrammableveexengineM.SIGGRAPH2001.149158.6wTReeves.ParticleSystemsJ.ATechniqueforModelingaClassofFuzzyObjects,1999.7Buck.DataParallelComputingonGraphicsHardwareM.Buck,Ian.2003.作者简介张汉清(1980一),男(汉族),河南洛阳人,硕士生,研究方向为航天器三维模拟仿真与图形图象处理.张科(1968一),男(汉族),江西樟树市人,博士,教授,研究方向为航天器导航制导与控制.(上接第164页)参考文献:1潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术M.北京:电子工业出版社,2003.2张广莹.陀螺仪温度建模研究J.系统仿真,2003,l5(3):369371.3马小霞.基于模糊控制的陀螺温度控制系统研究J.中国惯性技术,2004,12(2):6871.4诸静.模糊控制理论与系统原理M.北京:机械工业出版社,2005.5张雪君.单片机温度模糊控制系统J.电力系统及其自动化,1999,11(5):116118.目作者简介袁战军(1972一),男(汉族),陕西咸阳人,硕士研究生,主要研究方向电力系统及自动化.谢利理(1963一),男(汉族),陕西凤翔人,教授,博士,主要研究方向航空电气工程,电气自动化理论与应用.王瑾(1974一),女(汉族),陕西咸阳人,陕西纺织服装职业技术学院讲师,硕士研究生,主要研究方向控制理论与控制工程.胡大伟(1982一),男(汉族),江苏徐州人,硕士研究生,主要研究方向电力电子与电力传动.-203.-