PID控制在柔性結構控制中的應用

　　新一代大射電望遠鏡(LT)主要由懸索-饋源艙粗調系統和與饋源艙固連的精調 Stewart 平臺子系統組成[1,2]。并聯(lián)懸索-饋源艙子系統提供較大的饋源艙掃描工作空間，實(shí)現饋源艙軌跡跟蹤的粗調;精調 Stewart 平臺子系統在粗調基礎上實(shí)現高精度軌跡跟蹤。盡管采用精調平臺能實(shí)現軌跡的精調，但軌跡精調是建立在懸索粗調的基礎上的。因此，懸索的粗調就成為饋源艙軌跡跟蹤精度能否達到要求的重要因素。由于輕型索驅動(dòng)系統采用鋼纜傳動(dòng)，鋼纜的彈性變形、鋼纜與軸之間的摩擦、以及鋼纜松弛等一系列問(wèn)題，使懸索-饋源艙系統是一個(gè)非線(xiàn)性慢時(shí)變大滯后柔性系統。常規 PID 控制是迄今為止最通用的控制方法，大多數反饋回路用該方法或其較小的變形來(lái)控制，而常規 PID 控制器及其改進(jìn)型又是在工業(yè)過(guò)程控制中最常見(jiàn)的控制器[3]，尤其適用于能建立精確數學(xué)模型的確定性控制系統;另外，常規 PID 控制器中的參數通常由人工整定，由于一次性整定得到的參數很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)。因此，對于懸索-饋源艙這樣一個(gè)非線(xiàn)性慢時(shí)變大滯后柔性系統，常規 PID 控制器很難保證控制精度。文[4]提出了帶有學(xué)習功能的多變量自校正調節器，得到了較為理想的結果，但不足之處是線(xiàn)饋源運動(dòng)第一圈的跟蹤誤差較大。近年來(lái)采用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的控制方法已日益引起人們的重視。BP 網(wǎng)絡(luò )具有逼近任意有界連續非線(xiàn)性函數的功能[5]，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )自身的學(xué)習，可以找到最優(yōu)的 PID 參數。將 BP 網(wǎng)絡(luò )與 PID 控制相結合，既能夠發(fā)揮神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )學(xué)習能力和解決非線(xiàn)性問(wèn)題方面的特長(cháng)，又能夠充分利用 PID 控制的有效性。為滿(mǎn)　　足懸索-饋源艙子系統的性能要求，筆者提出用參數BP 網(wǎng)絡(luò )自整定 PID 控制器來(lái)實(shí)現饋源艙軌跡跟蹤策略。數值仿真證明了該方案的可行性。

　　1 LT 懸索-饋源艙軌跡跟蹤參數 BP 網(wǎng)絡(luò )自整定 PID 控制器的設計

　　采用經(jīng)典的控制理論設計常規 PID，在實(shí)際應用中對懸索-饋源艙這樣一個(gè)非線(xiàn)性慢時(shí)變大滯后柔性系統，往往無(wú)法達到令人滿(mǎn)意的效果。相比之下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制是一種基本上不依賴(lài)于模型的控制方法，它比較適用于那些具有不確定性或高度非線(xiàn)性的控制對象，并具有較強的適應和學(xué)習功能。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )所具有的任意非線(xiàn)性表達能力，可以通過(guò)對系統性能的學(xué)習來(lái)實(shí)現具有最優(yōu)組合的PID 控制。LT 懸索-饋源艙軌跡跟蹤參數 BP 網(wǎng)絡(luò )自整定 PID 控制系統結構如圖 1 所示。

　　控制器由經(jīng)典的 PID 控制器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(NN)組成， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的輸出對應于 PID 控制器的 3 個(gè)可調參數PK ，IK ，DK 。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習、加權系數的調整，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )輸出對應于某種最優(yōu)控制律下的 PID 控制器參數[6]。這里采用 3 層BP 網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )結構如圖 2 所示 。為反映 PID 控制器 3 類(lèi)信號的特性，BP 網(wǎng)絡(luò )的結構選為 3-5-3，其輸入分別為