Научная статья на тему 'Адаптивная система управления позиционированием спутниковой антенны'

Адаптивная система управления позиционированием спутниковой антенны Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
441
108
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕЧіТКИЙ КОНТРОЛЕР / АДАПТИВНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ / ПОЗИЦіОНУВАННЯ / СУПУТНИКОВА АНТЕНА / АЛГОРИТМ ПОКРОКОВОГО СТЕЖЕННЯ / НЕЧЕТКИЙ КОНТРОЛЛЕР / АДАПТИВНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ / ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ / СПУТНИКОВАЯ АНТЕННА / АЛГОРИТМ ПОШАГОВОГО СЛЕЖЕНИЯ / FUZZY LOGIC CONTROLLER / TAKAGI-SUGENO-KANG / ADAPTIVE CONTROLLER / POSITION CONTROL / SATELLITE ANTENNA / STEP-TRACKING ALGORITHM

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Мнушка О. В., Никонов О. Я., Савченко В. Н.

В работе рассмотрены традиционный и адаптивный ПИД-регуляторы для системы управления позиционированием спутниковой антенны, устанавливаемой на транспортном средстве. Проведено имитационное моделирование разработанного адаптивного ПИД-регулятора с нечетким контроллером типа Takagi-Sugeno-Kang в Matlab / Simulink, показано, что он имеет малую чувствительность к помехам в контуре управления и лучшую производительность для реализации алгоритма пошагового слежения по сравнению с традиционными ПИД-регуляторами. Ил.: 5. Библиогр.: 10 назв.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Мнушка О. В., Никонов О. Я., Савченко В. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The paper deals with satellite antenna position control system for the vehicle, which controlled by using conventional proportional-integral-derivative (PID) controllers and adaptive controller with Takagi-Sugeno-Kang type fuzzy logic controllers, which was developed. In order to obtain performance of the step-tracking algorithm and system response to various external perturbations the simulation model was developed in Matlab / Simulink environment. In the considered systems, adaptive controller is more suitable for the implementation of the step-tracking algorithm and it is more robust to external perturbations in comparison with conventional PID-controllers. Figs.: 5. Refs.: 10 titles.

Текст научной работы на тему «Адаптивная система управления позиционированием спутниковой антенны»

УДК 004.896: 681.51

О.В. МНУШКА, асс., ХНАДУ, Харшв,

О.Я. Н1КОНОВ, д-р техн. наук, проф., зав. каф., ХНАДУ, Харшв,

В.М. САВЧЕНКО, канд. техн. наук, доц., НТУ "ХШ"

АДАПТИВНА СИСТЕМА КЕРУВАННЯ

ПОЗИЦ1ОНУВАННЯМ СУПУТНИКОВОЮ АНТЕНОЮ

В робот розглянуп традицшний i адаптивний П1Д-регулятори для системи керування позицюнуванням супутниково! антени, яка встановлюеться на транспортному засоб^ Проведено ¡мггацшне моделювання розробленого адаптивного П1Д-регулятора з нечггким контролером типу Takagi-Sugeno-Kang в Matlab / Simulink, показано, що вш мае малу чутливють до завад в контур! керування i кращу продуктившсть для реал1зацН алгоритму покрокового стеження в пор1внянн1 з традицшними П1Д-регуляторами. 1л.: 5. Б1бл1огр.: 10 назв.

Ключов1 слова: нечггкий контролер, Takagi-Sugeno-Kang, адаптивна система керування, позицюнування, супутникова антена, алгоритм покрокового стеження.

Постановка проблеми. Системи цифрово! супутниково! телекомушкацп (СЦСТ) пор1вняно до аналопчних систем наземного базування дозволяють забезпечити яшсними послугами абоненпв у будь-якш точщ земно! поверхш за умови забезпечення прямо! видимосп телекомушкацшного супутника. Найбшьш актуальними так! системи е для малонаселених територш, на яких економ1чно невипдно розбудовувати наземш системи телекомушкацш, а також для моб1льних абоненпв, коли обладнання для прийому (та/або передавання) встановлюють на рухом1 транспортш засоби (ТЗ) - пасажирсьш автобуси, судна, по!зди, тощо. Шдвищення якосп послуг у СЦСТ пов'язане 1з зб1льшенням д1апазошв частот, як! використовуються, що обумовлюе перехщ з Ku -д1апазону до &^апазону та шдвищення вимог до точносл позицюнування антенних установок (АУ) абонента, завадостшкосп систем, вдосконалення апаратури та алгоршшв стеження за джерелом сигналу. Одним 1з шлях1в удосконалення юнуючих АУ е вдосконалення систем керування (СК) позицюнуванням !х антени з метою забезпечення покращених характеристик АУ та реал1зацп алгоршадв стеження за джерелом сигналу тд час руху транспортного засобу [1, 2].

Анал1з л1тератури. Встановлення АУ на рухомий ТЗ мае на меп забезпечити безперервне надання послуг шнцевому абоненту як тд час руху, так i тд час стоянки. Як показано у [3], простим та ефективним алгоритмом стеження е алгоритм покрокового стеження (step-tracking

© О.В. Мнушка, О.Я. Нконов, В.М. Савченко, 2015

algorithm, STA), що не вимагае складних конструктивно-технолопчних рiшень. Зважаючи на те, що тд час руху АУ ТЗ працюе тд впливом випадкових завад, традицiйнi системи керування не завжди в змозi забезпечити якюне позицiонування антени, тому доцiльним е використання нечiтких або нейромережних СК [4 - 7]. В [4] запропоновано СК i3 нечiтким регулятором ПД-типу. Показано, що при реалiзацil STA за рiвнем прийнятого сигналу продуктивнють СК iстотно залежить ввд рiвня сигналу, при цьому для каналу прийнятого сигналу, за умови 1/ T < 1, де T - постшна часу, дощльним е використання нечеткого регулятору, за шших умов - традицшного, наприклад П1. В [5] для АУ з двома степенями свободи проведено порiвняння традицшного та нечеткого ПIД-регуляторiв в системi керування модифшовано! антени SeaTel 1898. Показано, що застосування нечiткого П1Д-регулятора дозволяе досягти заданих технiчних характеристик, а його продуктивнють е вищою у порiвняннi iз традицiйними контролерами. В [6] проведено порiвняльний аналiз рiзних варiантiв реалiзацiй СК позицiонуванням АУ за азимутом. Показано, що в цшому нечита контролери (i Mamdani, i Takagi-Sugeno) мають переваги над традицшними П1Д-контролерами при наявностi завад випадкового характеру у колi керування. В [7] наведено результата аналiзу впливу виду функцп приналежностi та кшькосл правил нечiткого логiчного висновку на параметри СК позицiонуванням за азимутом. Показано, що доцшьним е використання нечгтких контролерiв з мiнiмальним набором правил та функщями приналежностi простого виду (трикутних) i запропоновано адаптивну СК iз нечiткими контролерами у колах контролю похибки та li похадно! за часом.

Аналiз лгтературних джерел показуе, що: 1) не мае однозначних рекомендацш щодо застосування нечггких регуляторiв у СК позицюнуванням АУ; 2) для забезпечення високо! задано! продуктивносп СК тд впливом зовтшшх факторiв доцГльним е аналТз можливостГ використання СК на основГ нечiткоl логГки шляхом iмiтацiйного моделювання, тому задача розробки таких систем та !х iмiтацiйних моделей е актуальною.

Метою CTaTTi е розробка та Тмгтацшне моделювання адаптивного ПЩ-регулятора для системи керування позицiонуванням антени у склащ АУ рухомого ТЗ.

Адаптивна система керування позицюнуванням супутниковоТ антени. Розроблено адаптивну СК, в якш нечiткий контролер Takagi-Sugeno-Kang (TSK) використовуеться для регулювання коефщенпв П1Д-регулятора. Адаптивну систему керування виконано за класичною

схемою (рис. 1, [8]) i вона мютить: 1) узагальнений об'ект керування (УОК), який складаеться з антени (навантаження), двигуна та редуктора

та описуеться передатною функщею W(p) = —-2083- [6];

s3 + 101.7s2 +171s

2) традицшний П1Д-регулятор; 3) ланку зворотного зв'язку (сенсор); 4) нечiткий контролер (НК), на входи якого подають сигнал помилки e(t) = r(t) - y(t) та його похвдну. На виходi НК формуються величини Kp, Kd та Kt, як1 використовують для корегування вiдповiдних коефiцiентiв П1Д-регулятора та величини сигналу керування u(t ).

Рис. 1. Адаптивна СК i3 П1Д-регулятором

Нечiткий блок адаптивного регулятора виконано по схемi ПД+1 регулятора [9, 10] з метою зменшення бази правил та тдвищення продуктивностi СК (рис. 2). Коефщенти пвдсилення Kie, Ke, KAe, Ku та вщповвдш коефiцiенти пропорцiйноï, iнтегруючоï та диференцшючо1 ланок П1Д-регулятора Kp = K, Kf = KT-, Kd = KTd пов'язаш сшввщношеннями (1) [10]:

Kp = KuKe > 1/Ti = KieKe > Td = KAeKe . (1)

Функцiя керування П1Д-регулятора

i t

u(t ) = K

e(t) +1 i e(%)d% + Td

de

TJ d dt

0

в дискретнш формi в кожний дискретний момент часу k мае вигляд

V

/

и (к) = К

1 к

+ + Td Дек

Ч ]=0

або у паралельнiй рекурентнiй формi

ик = ик + К1ек + К2ек-1 + К3ек-2, к = 1 N ,

(3)

де К1 = Кр + Ка + К1, К2 = -Кр - 2Ка , К3 = Kd - параметри регулятора,

що налаштовуються; N - число вiдлiкiв часу. Шдставляючи (1) в (2) або (3) та задавшись величиною Ке = тах(ек), отримують вщповвдт коефiцieнти нечiткого регулятора.

Рис. 2. Структура нечеткого ПД+1 контролера

З метою реалiзацil (2) та (3) було визначено дiапазони змшення вхiдних та вихвдних величин, сформовано базу правил з урахуванням: 1) для великих значень ек : К - велике, Кй - мале, К{ ^ 0; 2) для

середшх значень ек: Кр - мале, а Кй та К^ обирають вiдповiдно до

вимог забезпечення мшмального перерегулювання; 3) для малих значень ек: Кр та К - велиш, а Kd обирають ввдповвдно до величини Дек з

метою запобтання коливальному процесу (Дек - велике (мале), Кл -мале (велике)).

Для реалiзацil нечеткого контролеру TSK визначимо лшгшстичт змiннi E(ек) та dE( Дек) на множит {"додатний", "ввд'емний"} iз

( х-Ь)2 2

гаусовою функцieю приналежностi виду (х) = е 2с , де Ь -координата максимуму; с - коефщент концентраций Лiнгвiстичну змiнну Щ( ик) визначимо на множит константних значень { -итах, 0, +итах }. Вх1дна та вихвдна змiннi зв'язанi наступними правилами:

е

1. Якщо E е вщ'емною i dE е вщ'емною, то U дорiвнюe -Umax .

2. Якщо E е вщ'емною i dE е додатною, то U дорiвнюе 0.

3. Якщо E е додатною i dE е ввд'емною, то U дорiвнюе 0.

4. Якщо E е додатною i dE е додатною, то U дорiвнюе +Umax . Розроблено iMh^rn^ модель адаптивно! СК (рис. 3) та проведено

iMn^rn^ моделювання И параметрiв. Результати отримано для часу дискретизацп Ts = 0.01 с. Попередне налаштування ПIД-регуляторiв виконано за методом Ziegler-Nicols, Kp = 2.32, Ki = 0.29, Kd = 0.82. Сигнал

г

flcjy

a-PID

Ш

Sensor

РЮ

L Sensor

distr —►

a-pid pidr*\ TSK

M

ref

simout

To Workspace

Рис. 3. 1мгтацшна схема СК у Simulink (фрагмент)

Аналiз перехвдно! характеристики показуе, що адаптивний регулятор у порiвняннi з традицшним мае меншi час встановлення та перерегулювання (рис. 4 а), а також швидше реагуе на завади в контурi керування (бший шум в момент часу t = 7 c , рис. 4 б).

а б

Рис. 4. Перехдаа характеристика СК

Для оцшки режиму спостереження на вхвд було подано сигнал стушнчасто! форми екывалентний оберненню антени на ±180° з амплиудою ступеш 1 В та тривалютю 3 с (рис. 5 а) та пилкоподiбний сигнал з амплиудою ±3 В та перюдом, що приблизно дорiвнюe часу встановлення системи (рис. 5 б). Адаптивний регулятор мае меншi похибки на будь-якому кроцi, на вiдмiну ввд традицiйного (рис. 5 а), таю ж самi висновки можна зробити щодо режиму захоплення джерела сигналу (рис. 5 б).

Час, с. Час, с.

а б

Рис. 5. Робота СК в режимi покрокового стеження

Висновки. Проаналiзовано способи реалiзацiï ПIД-регуляторiв для системи керування позицiонуванням супутниково! антени, яку встановлюють на транспортний засiб. Розроблено адаптивний П1Д-регулятор з нечггким контролером типу Takagi-Sugeno-Kang. Проведено порiвняльне iмiтацiйне моделювання адаптивного та традицшного регуляторiв в Matlab / Simulink. Показано, що адаптивний регулятор мае малу чутливють до впливу завад на контур керування та б№шу продуктивнiсть для реалiзацiï алгоритму покрокового стеження (рис. 4 б, 5). В цшому, результата моделювання добре корелюються з результатами, отриманими в [7] для шшо! моделi адаптивно!' СК. Додаткового вивчення вимагае питання оптимiзацiï параметрiв адаптивно! СК для великих варiацiй вхвдного сигналу, що мае мюце при встановленнi початкового кутового положення антени (рис. 5 б). Результати роботи можуть бути використаними для аналiзу та синтезу адаптивних СК кутовим положенням антени та в шших подiбних застосуваннях.

Список лиератури: 1. Corazza G. Digital Satellite Communication / G. Corazza. - Springer, 2007. - 535 p. 2. HaoL. SPSA-based Step Tracking Algorithm for Mobile DBS Reception / L. Hao, M. Yao // Simul. Modell. Pract. and Theory. - 2011. - Vol. 19. - Is. 2. - P. 837-846. 3. Мнушка О.В. Системы управления позиционированием и слежением мобильных спутниковых антенных установок / О.В. Мнушка / Восточно-европейский журнал передовых технологий. - 2013. - Т. 5. - № 9 (65). - С. 39-45. 4. Lin J.-M. Intelligent PD-type

Fuzzy Controller Design for Mobile Satellite Antenna Tracking System with Parameter Variations Effect / J.-M. Lin, Po-K. Chang // IEEE Sym. on Comp. Intel. in Contr. and Autom. - 2011. -P. 1-5. 5. Kim J.-K. Simplified Fuzzy-PID Controller of Data Link Antenna / J.-K. Kim,

5.-H. Park, T. Jin // Int. Conf. PRICAI 2006, LNAI. - Springer, 2006. - P. 1083-1088.

6. Mnushka O. Simulation of the Antenna Azimuth Position Control System with Fuzzy PID-like Controller / O. Mnushka // Int. Conf. TCSET'2014. - Lviv, 2014. - P. 162-163. 7. OkumusH.I. Antenna Azimuth Position Control with Fuzzy Logic and Self-Tuning Fuzzy Logic Controllers / H.I. Okumus; E. Sahin; O. Akyazi / Int. Conf. ELECO'2013. - 2013. - P. 477-481.

8. Михайленко В.С. Методы настройки нечеткого адаптивного ПИД-регулятора / В.С. Михайленко, В.Ф. Ложечников // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2009. - № 2. - С. 174-179. 9. Jantzen J. Foundations of Fuzzy Control: a Practical Approach / J. Jantzen. - Wiley, 2013. - 325 p. 10.Xu J.X. Parallel Structure and Tuning of a Fuzzy PID Controller / J.X. Xu, C.C. Hang, C. Liu // Automatica. - 2000. - Vol. 36. -P. 673-684.

Bibliography (transliterated): 1. Corazza G. Digital Satellite Communication / G. Corazza. -Springer, 2007. - 535 p. 2. Hao L. SPSA-based Step Tracking Algorithm for Mobile DBS Reception / L. Hao, M. Yao // Simul. Modell. Pract. and Theory. - 2011. - Vol. 19. - Is. 2. -P. 837-846. 3.Mnushka O.V. Sistemy upravleniya pozitsionirovaniem i slezheniem mobil'nykh sputnikovykh antennykh ustanovok / O.V. Mnushka / Vostochno-evropeiskii zhurnal peredovykh tekhnologii. - 2013. - T. 5. - № 9 (65). - S. 39-45. 4. Lin J.-M. Intelligent PD-type Fuzzy Controller Design for Mobile Satellite Antenna Tracking System with Parameter Variations Effect / J.-M. Lin, Po-K. Chang // IEEE Sym. on Comp. Intel. in Contr. and Autom. - 2011. - P. 1-5. 5. Kim J. -K. Simplified Fuzzy-PID Controller of Data Link Antenna / J. -K. Kim, S. -H. Park, T. Jin // Int. Conf. PRICAI 2006, LNAI. - Springer, 2006. - P. 1083-1088. 6.Mnushka O. Simulation of the Antenna Azimuth Position Control System with Fuzzy PID-like Controller / O. Mnushka / Int. Conf. TCSET'2014. - Lviv, 2014. - P. 162-163. 7. Okumus H.I. Antenna Azimuth Position Control with Fuzzy Logic and Self-Tuning Fuzzy Logic Controllers / H.I. Okumus, E. Sahin, O. Akyazi // Int. Conf. ELECO'2013. - 2013. - P. 477-481. 8. Mikhailenko V.S. Metody nastroiki nechetkogo adaptivnogo PID-regulyatora / V.S. Mikhailenko, V.F. Lozhechnikov // Avtomatika. Avtomatizatsiya. Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy. - 2009. - № 2. - S. 174-179.

9. Jantzen J. Foundations of Fuzzy Control : a Practical Approach / J. Jantzen. - Wiley, 2013. -325 p. 10. Xu J.X. Parallel Structure and Tuning of a Fuzzy PID Controller / J.X. Xu, C.C. Hang, C. Liu // Automatica. - 2000. - Vol. 36. - P. 673-684.

НадШшла (received) 31.03.2015

Статтю представив д.т.н., проф. Харьювського национального автомобильно-дорожнього унгверситету Бажинов А.В.

Mnushka Oksana, postgraduate student National Automobile and Highway University Str. Petrovskogo, 25, Kharkiv, Ukraine, 61002 Tel.: (067) 5767863, e-mail: mnushka@live.com ORCID ID: 0000-0001-7756-9260

Nikonov Oleg, Dr. Sci. Tech, Professor National Automobile and Highway University Str. Petrovskogo, 25, Kharkiv, Ukraine, 61002 Tel.: (050) 7505010, e-mail: oj_nikonov@mail.ru ORCID ID: 0000-0002-6588-7760

Savchenko Volodymyr, Cand. Sci. Tech

National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Str.Frunze, 21, Kharkiv, Ukraine, 61002

Tel.: (067) 5767864, e-mail: savchenko@live.com

ORCID ID: 0000-0001-6548-0891

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.