应用PID算法控制的双轴摇摆台的研究
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摘要：双轴摇摆台是对船载卫星通信系统指标测试的关键设备，对船载卫星通信系统的研究与设计具有重要的意义。结合实际工程项目，对摇摆台系统进行了具体的工程设计，并对其关键技术进行了研究。探讨了PID算法在实际控制中的应用。
中图分类号：TP302文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)23-1056-03
Research on the Application of PID Controller in Double-axis Swing Table
MEI Yan-pin
(Department of Communication Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)
Abstract: Double-axis swing table is a key emulational equipment in the testing of shipborne satellite communication system. The cablility of the table directly affect the research and design of the shipborne satellite communication system. In this paper,a swing table is designed concretely and the key technologies are studied combined with an actral project.In particular in the course of applying PID in fact.
Key words: swing table; Satellite communication; PID controller
1 引言
随着通信技术的发展，卫星通信由于基本不受地域和自然条件的限制以及通信距离远、机动灵活等优点越来越受到人们的青睐。在动载体上稳定收发卫星信号，实现运动中数据、话音、图像稳定地传输。
双轴摇摆台是在开发船载式卫星通信系统时替代实际海上测试，在实验室的环境下，模拟各种海况下的运行姿态。通过测试稳定平台的输出的姿态数据和实际需要的姿态数据对比来评价稳定平台系统的性能和精度，从而为船载式卫星通信系统的研制开发和改进提供参考依据，可以反复实验调试，反复改进以达到总体设计的指标要求。
2 双轴电控摇摆台的总体设计
2.1 主要技术指标
1) 摇摆台载荷能力：100 kg；
2) 台面尺寸：200×400(mm)；
3) 液压式摇摆台的自由度和摇摆参数。
摇摆台具有两个自由度的摇摆运动，即：方位和俯仰。有效工作范围如表1。
注：①大角度对应大周期，小角度对应小周期；
②方位、俯仰的幅度，周期可以任意组合，从而使摇摆台形成不同的复合摇摆状态；
③摇摆台工作方式：单自由度摇摆、两自由度复合摇摆然任选。
4) 状态参数的录取和显示
方位、俯仰的幅度，周期可调，可以实时显示俯仰的转速和角度。
5) 软件功能：
①摇摆台状态设置；
②实时显示俯仰的转速和角度；
③时钟显示；
④摇摆台运动不间断中可改变状态设置；
⑤启动与停机功能。
3 系统组成及原理
液压式摇摆台主要处理器、监控模块（包括倾斜仪和陀螺，相位开关）、执行机构（包括驱动电路，执行电机等）和控制界面（点阵式液晶显示屏）组成。系统组成框图如图1所示。
考虑到控制器的小型化、模块化、低功耗，处理器选用的是C8051F020型单片机，它是Cygnal公司推出的一款高性能单片机，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，执行指令最快速度可达100MIPS，具有运行速度快、C语言编程、调试方便、片内支持JTAG调试功能、可flash数据存储等优点。另外与8051系列单片机比较，它扩展了I/O口，增加了数据采样和控制系统所需的几乎所有的模拟和数字外设，充分利用这些资源可以简化系统硬件电路设计，提高系统的可靠性。
系统用到的C8051F120的资源有：A/D采样，定时器。
4 PID控制
4.1 传统PID控制
控制系统中的控制器，常常采用比例、微分、积分等基本的控制规律，或采用这些基本控制规律的某些组合的复合控制规律，以实现对被控对象的有效控制。过去由于单片机或信号处理类的芯片运算速度慢，控制系统一般都采用模拟的P田调节器。虽然模拟P毋控制连续性好，但要实现控制算法的改进和优化却非常的不灵活。随着高速信号处理器的诞生，数字PID控制变得越来越有优势，尤其以DSP为核心的运动控制器在伺服控制中得到了越来越广泛的应用。
数字PID控制算法是将模拟PID离散化得到。数字PID控制器结构如图2所示。其表达式为：
u(k)=up(k)+ul(k)+uD(k)
图3给出了数字P功控制器的结构图。简单说来，P功控制器各控制环节的作用是这样的。比例控制(P控制)即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，积分控制(I控制)主要用于消除静差，微分控制(D控制)反应偏差信号的变化趋势(变化速率)。还可以这么来理解比例、积分、微分各控制环节的作用和意义。比例控制是对现在误差的一种校正，积分控制是对过去误差的校正，而微分控制是对将来可能的误差的校正，所以PID控制是考虑了过去、现在和将来信息的一种控制。这也是为什么一般控制系统只要用好了PID控制就可以取得较好的控制性能的原因。数字PID有不少改进算法。常用的有积分分离PID控制算法、遇限削弱积分PID控制算法、变速积分P功控制算法、不完全微分P功控制算法、微分先行PID控制算法和带死区的PID控制算法等。下面结合转台控制的仿真具体讨论。
4.2 改进的数字PID控制
为了更透彻的探讨PID控制在实际系统中的应用，以及为实际系统中的参数整定提供更明确的指导依据，首先进行了转台控制的MATLAB仿真。
转台的PID控制的Simulink仿真框图如图4所示。其中包含了两个子系统PID Controller和Turn-table。对于不同的转台模型和不同的控制器，只需要改变子系统的结构即可。
4.3 基于模糊推理的参数自适应PID控制
基于模糊推理的参数自适应PID控制器是将自适应控制思想和模糊控制器、PID控制器结合起来，通过模糊控制器自动辨识受控对象（受控过程）的某些特征，并根据知识规则库对这些特征参数进行模糊推理，来动态的修正PID控制器的参数。其特点是既具有模糊控制灵活、鲁棒性强和适应性强的优点，又兼具PID控制精度高的优点。
基于模糊推理的参数自适应PID控制器根据误差信号，不断调整模糊控制与PID控制的复合度，不断对PID的三个参数kp、ki、kd进行在线修改，满足变化的误差对控制参数的要求，从而使得受控对象具有良好的动、静态性能。
基于模糊推理的参数自适应PID控制器原理框图如图5：
4.4 PID参数的自整定原则
控制器利用系统和环境的有关信息按照某种映射关系，动态调整PID算法的参数称为PID参数整定。本系统实用不依赖对象模型的参数自整定，是一种仿人的模糊控制推理的参数自整定方法。设计的步骤为：总结理论依据和经验，据此编写模糊控制推理规则集，编制模糊推理集程序。
理论依据和经验概括如下：
1) 比例系数kp对系统的影响：动态方面，kp增大，比例环节作用分量也加大，加快了系统的响应，但是超调大，振荡次数增加，调节时间较长，当kp太大时，系统趋向不稳定；kp小时，系统动作缓慢。
静态方面，kp增大，静态偏差减小，但不能消除。
2) 积分系数ki对系统的影响：动态方面，ki增大，则积分作用增大，当ki偏大时，超调量大，振荡次数增多，调节时间增加，使得系统不稳定。静态方面，ki增大，静差消除快，抗干扰能力增强；ki太小时，不能消除静差，抗干扰能力下降。
3) 微分系数kd对系统的影响：微分分量有抑制误差变化的能力，可压低超调量，缩短超调时间。同无微分环节的PI调节器相比较，可用更大的kp和ki，遗传可增加系统的稳定性，减小系统的稳态误差。微分是对PI的补充，合适的kd可得到满意的过渡过程，其偏大或偏小都达不到应有的效果。
根据参数kp、ki、kd对系统输出特性的影响可归纳出在一般的情况下，对不同的误差E和误差变化率EC，受控对象对PID控制器参数kp、ki、kd的整定要求为：
1) 当|E|较大时，为了是系统具有良好的快速跟踪性能，避免因E瞬间变化大而引起微分饱和，应取较大的kp和较小的kd。同时为了避免系统响应出现较大的超调，应对积分作用加以限制。通常取ki=0。根据实际情况也可以直接采取比例控制。
2) 当|E|为中等大小时，为了减小系统的超调，同时保证系统的响应速度，kp应取得小些，ki取值要适当。这中情况下，kd的取值对系统的影响较大，一般根据|EC|的大小来取值，当|EC|较大时，kd应取稍小；当|EC|较小时，kd应取稍大。世界中也可以直接采用PD控制。
3) 当|E|较小时，为使系统具有良好的稳态性能，提高系统的抗干扰性，增大ki，减小kp，同时为了避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统的抗干扰能力，应选择适当的kd，其选择原则是：当|EC|较小时，kd应取大一些，当|EC|较大时，kd应取小一些。
5 系统软件设计
系统的软件设计可以分为一下几个模块：初始化模块、稳定模块、跟踪模块、通信模块、执行模块、卫星信息存取模块。
初始化模块：该模块包括处理器的初始化和控制台初始化。处理器的初始化包括系统时钟的设置、数字I/O口的初始化（AD转换和串口初始化）以及定时器的初始化。控制台初始化包括液晶屏的监控界面。
通信模块：该模块负责监控台输入指令和单片机回馈给监控台的各种状态数据的实时显示。负责单片机和控制台交换信息，显示摇摆台俯仰的转速和角度，以及时间显示。
校准模块：该模块根据倾斜仪和陀螺，解算出天线方位和俯仰误差，对所给的控制电压进行校准调节。
执行模块：该模块负责方位电机、俯仰电机的控制。
系统软件流程图如图6所示。
6 结束语
该摇摆台满足船用条件下海上各种情况的仿真，系统结构的合理化的设计，易于操作，性能可靠，满足测试要求。
参考文献：
[1] 陶永华,尹怡欣,葛芦生.新型PID控制及其应用[M].北京:机械工业出版社,1998.
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