Simulation of stellar spectrum controlled by fuzzy PID

ZHANG Yu; FU Yuegang; ZHANG Jian; ZHAO Bin; ZHANG Guoyu

doi:10.37188/OPE.20233111.1619

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Simulation of stellar spectrum controlled by fuzzy PID

Modern Applied Optics | 更新时间：2023-07-08

- Simulation of stellar spectrum controlled by fuzzy PID
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 11, Pages: 1619-1630(2023)
- 作者机构：
  
  长春理工大学光电工程学院，吉林长春 130022
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233111.1619
  CLC： O434.13
- Received：07 December 2022，
  
  Revised：05 January 2023，
  
  Published：10 June 2023
- 稿件说明：
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张宇,付跃刚,张健等.模糊PID控制的恒星光谱模拟[J].光学精密工程,2023,31(11):1619-1630.

ZHANG Yu,FU Yuegang,ZHANG Jian,et al.Simulation of stellar spectrum controlled by fuzzy PID[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1619-1630.
张宇,付跃刚,张健等.模糊PID控制的恒星光谱模拟[J].光学精密工程,2023,31(11):1619-1630. DOI： 10.37188/OPE.20233111.1619.

ZHANG Yu,FU Yuegang,ZHANG Jian,et al.Simulation of stellar spectrum controlled by fuzzy PID[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(11):1619-1630. DOI： 10.37188/OPE.20233111.1619.

摘要

针对目前基于数字微镜（Digital Micromirror Device，DMD）的光谱模拟中，光谱模拟单元具有不同偏态性质且存在非线性调制等特点，提出了一种适用于多种色温调制的基于模糊PID控制的恒星光谱模拟方法。构造了DMD工作矩阵、光谱调制权重矩阵、光谱分布函数矩阵以及目标光谱矩阵，建立了基于DMD的光谱模拟数学模型；然后，研究了基于遗传算法优化BP神经网络的光谱分布函数拟合算法，在400~800 nm的峰值波长内实现了光谱分布函数拟合；提出了一种基于模糊PID控制的光谱模拟算法，选择模糊集合与隶属度函数，制定了模糊推理以及解模糊化规则。仿真分析了模糊PID控制器性能，结果表明与PID控制相比，模糊PID控制的超调量减小90.7%，调节时间缩短了69.4%。最后，实验验证了3 000~11 000 K色温光谱分布曲线的模拟精度，结果表明：光谱模拟误差优于±4.21%；相较于PID控制，模糊PID控制在3 000，6 500以及11 000 K色温的最大光谱模拟精度分别提高了2.31倍，1.71倍和2.02倍。所提出的方法可以进一步提升光谱模拟精度，为高精度星敏感器的地面标定提供理论与技术基础。

Abstract

In the current spectral simulation method based on a digital micromirror device （DMD）， the spectral simulation units have different bias properties and nonlinear modulation； thus， a spectral simulation method for multi-color temperature modulation is lacking. This paper presents a fuzzy proportional-integral-derivative （PID） control-based stellar spectral simulation method. First， the DMD working matrix， spectral modulation weight matrix， spectral distribution function matrix， and target spectrum matrix are constructed. Next， a spectral distribution function fitting algorithm based on a genetic algorithm-optimized backpropagation （BP） neural network is studied. The BP neural network algorithm and the basic elements of the genetic algorithm are designed and used to achieve spectral distribution function fitting in the peak wavelength region of 400-800 nm. Then， a spectral simulation algorithm based on fuzzy PID control is proposed. The fuzzy set and affiliation function are selected， and the fuzzy inference and defuzzification rules are formulated. The fuzzy PID controller is simulated and analyzed， and the results indicate that the overshoot of fuzzy PID control is reduced by 90.7% and the regulation time is shortened by 69.4% compared with those of PID control. Finally， the simulation accuracy of the color temperature spectral distribution curve in the range of 3 000-11 000 K is verified via experiments. According to the results， the spectral simulation error is better than ±4.21%. Compared with the PID control， the maximum spectral simulation accuracy of fuzzy PID control at 3 000， 6 500， and 11 000 K is increased by factors of 2.31， 1.71， and 2.02， respectively. The proposed method can increase the spectral simulation accuracy， providing the theory and foundation for the development of high-precision star-sensitive devices.

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王龙，杨孟飞，钟红军，等 . 星敏感器星点聚类提取方法［J］. 中国科学：技术科学， 2015 ， 45 （ 3 ）： 257 - 262 . doi: 10.1360/n092014-00480 http://dx.doi.org/10.1360/n092014-00480

WANG L ， YANG M F ， ZHONG H J ， et al . Star extraction based on clustering within a star tracker ［J］. Scientia Sinica （Technologica）， 2015 ， 45 （ 3 ）： 257 - 262 . （in Chinese） . doi: 10.1360/n092014-00480 http://dx.doi.org/10.1360/n092014-00480

王大轶，李茂登，黄翔宇 . 航天器多源信息融合自主导航技术［M］. 北京：北京理工大学出版社， 2018 .

WANG D Y ， LI M D ， HUANG X Y . Spacecraft Autonomous Navigation Technology Based on Multi-source Information Fusion ［M］. Beijing ： Beijing Insititute of Technology Press ， 2018 . （in Chinese）

张伟 . 天文光谱测速导航技术与应用思考［J］. 导航与控制， 2020 ， 19 （ S1 ）： 64 - 73 . doi: 10.3969/j.issn.1674-5558.2020.h4.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.h4.008

ZHANG W . A study of the navigation technology and application based on astronomical spectral velocity measurement ［J］. Navigation and Control ， 2020 ， 19 （ S1 ）： 64 - 73 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1674-5558.2020.h4.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2020.h4.008

FRYC I ， BROWN S W ， EPPELDAUER G P ， et al . LED-based spectrally tunable source for radiometric， photometric， and colorimetric applications ［J］. Optical Engineering ， 2005 ， 44 （ 11 ）： 111309 . doi: 10.1117/1.2127952 http://dx.doi.org/10.1117/1.2127952

李晓妮，吴璀罡，赵昕，等 . 自动标定型光谱可调星模拟器光源系统［J］. 光子学报， 2015 ， 44 （ 5 ）： 179 - 184 . doi: 10.3788/gzxb20154405.0522003 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20154405.0522003

LI X N ， WU C G ， ZHAO X ， et al . The research of the light source for star simulator with automatic calibration and adjustable spectrum ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2015 ， 44 （ 5 ）： 179 - 184 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20154405.0522003 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20154405.0522003

刘洪兴，任建伟，刘则洵，等 . 基于LED的多色温多星等单星模拟器［J］. 光学学报， 2015 ， 35 （ 2 ）： 187 - 194 . doi: 10.3788/aos201535.0212003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.0212003

LIU H X ， REN J W ， LIU Z X ， et al . LED-based single star simulator with multi-color-temperature and multi-star-magnitude output ［J］. Acta Optica Sinica ， 2015 ， 35 （ 2 ）： 187 - 194 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201535.0212003 http://dx.doi.org/10.3788/aos201535.0212003

徐广强，于慧媛，张竞辉，等 . 基于单色LED补偿白光LED技术的模拟太阳光谱研究［J］. 发光学报， 2017 ， 38 （ 8 ）： 1117 - 1124 . doi: 10.3788/fgxb20173808.1117 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173808.1117

XU G Q ， YU H Y ， ZHANG J H ， et al . Solar spectrum matching based on white LED compensated with monochromatic LEDs ［J］. Chinese Journal of Luminescence ， 2017 ， 38 （ 8 ）： 1117 - 1124 . （in Chinese） . doi: 10.3788/fgxb20173808.1117 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173808.1117

LUO D ， BAUER S ， TAPHANEL M ， et al . Optical unmixing using programmable spectral source based on DMD ［C］. Next-Generation Spectroscopic Technologies IX ， SPIE Proceedings. Baltimore ， Maryland ， USA. SPIE ， 2016 ， 9855 ： 98550P . doi: 10.1117/12.2228303 http://dx.doi.org/10.1117/12.2228303

徐达，张国玉，孙高飞，等 . 基于DMD光谱可调的星模拟器光源光学系统设计［J］. 光子学报， 2017 ， 46 （ 7 ）： 188 - 194 . doi: 10.3788/gzxb20174607.0722002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20174607.0722002

XU D ， ZHANG G Y ， SUN G F ， et al . Optical system design of star simulator light source with spectrum adjustable based on DMD ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2017 ， 46 （ 7 ）： 188 - 194 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20174607.0722002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20174607.0722002

WANG X X ， LI Z G . A spectrally tunable calibration source using Ebert-Fastie configuration ［J］. Measurement Science and Technology ， 2018 ， 29 （ 3 ）： 035903 . doi: 10.1088/1361-6501/aa9e31 http://dx.doi.org/10.1088/1361-6501/aa9e31

XU D ， SUN G F ， ZHANG G Y ， et al . Design of a digital tunable stellar spectrum calibration source based on a digital micromirror device ［J］. Measurement ， 2022 ， 191 ： 110651 . doi: 10.1016/j.measurement.2021.110651 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2021.110651

孙继亮，张国玉，张健，等 . 基于数字微镜的大气透射仪校准光源的光谱模拟方法［J］. 中国激光， 2022 ， 49 （ 11 ）： 165 - 175 . doi: 10.3788/CJL202249.1111001 http://dx.doi.org/10.3788/CJL202249.1111001

SUN J L ， ZHANG G Y ， ZHANG J ， et al . Spectral simulation method for calibrating light source of transmission visibility meter based on digital micromirror ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2022 ， 49 （ 11 ）： 165 - 175 . （in Chinese） . doi: 10.3788/CJL202249.1111001 http://dx.doi.org/10.3788/CJL202249.1111001

LIANG J ， ZHANG G Y ， ZHANG J ， et al . An indoor calibration light source of the transmissometers based on spatial light modulation ［J］. Optoelectronics Letters ， 2022 ， 18 ： 65 - 71 . doi: 10.1007/s11801-022-1112-z http://dx.doi.org/10.1007/s11801-022-1112-z

梁婧，张国玉，张健，等 . 透射式能见度仪定标光源光谱模拟方法［J］. 光学学报， 2022 ， 42 （ 6 ）： 123 - 135 . doi: 10.3788/AOS202242.0601005 http://dx.doi.org/10.3788/AOS202242.0601005

LIANG J ， ZHANG G Y ， ZHANG J ， et al . Spectral simulation method for calibration light source of transmissometers ［J］. Acta Optica Sinica ， 2022 ， 42 （ 6 ）： 123 - 135 . （in Chinese） . doi: 10.3788/AOS202242.0601005 http://dx.doi.org/10.3788/AOS202242.0601005

刘浩学，郑岚，代黎，等 . 基于光谱叠加特性的液晶显示器颜色特征化方法研究［J］. 光学学报， 2011 ， 31 （ 12 ）： 321 - 325 . doi: 10.3788/aos201131.1233002 http://dx.doi.org/10.3788/aos201131.1233002

LIU H X ， ZHENG L ， DAI L ， et al . Color characterization of LCD based on spectral additive properties ［J］. Acta Optica Sinica ， 2011 ， 31 （ 12 ）： 321 - 325 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201131.1233002 http://dx.doi.org/10.3788/aos201131.1233002

杨莹，胡炳樑，李立波，等 . Hadamard编码红外光谱成像系统设计［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 6 ）： 641 - 650 . doi: 10.37188/OPE.20223006.0641 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223006.0641

YANG Y ， HU B L ， LI L B ， et al . Design of MWIR hadamard coded imaging spectrometer ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2022 ， 30 （ 6 ）： 641 - 650 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223006.0641 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223006.0641

赵铎，张国玉，徐达，等 . 一种基于数字微镜星模拟器的衍射校正方法［J］. 光子学报， 2021 ， 50 （ 9 ）： 54 - 61 .

ZHAO D ， ZHANG G Y ， XU D ， et al . A diffraction correction method based on digital mirror device star simulator ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2021 ， 50 （ 9 ）： 54 - 61 . （in Chinese）

黄文美，张伟帅，翁玲 . 高频磁致伸缩换能器输出特性测试与优化控制［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 22 ）： 2876 - 2888 . doi: 10.37188/ope.20223022.2876 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223022.2876

HUANG W M ， ZHANG W SH ， WENG L . Measurement and optimization control of output characteristics of high frequency magnetostrictive transducer ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2022 ， 30 （ 22 ）： 2876 - 2888 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20223022.2876 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223022.2876

徐宝腾，杨西斌，刘家林，等 . 高速扫描激光共聚焦显微内窥镜图像校正［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 1 ）： 60 - 68 . doi: 10.3788/ope.20202801.0060 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0060

XU B T ， YANG X B ， LIU J L ， et al . Image correction for high speed scanning confocal laser endomicroscopy ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2020 ， 28 （ 1 ）： 60 - 68 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202801.0060 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0060

周炜，廖文和，田威，等 . 基于粒子群优化神经网络的机器人精度补偿方法研究［J］. 中国机械工程， 2013 ， 24 （ 2 ）： 174 - 179 . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2013.02.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2013.02.007

ZHOU W ， LIAO W H ， TIAN W ， et al . Method of industrial robot accuracy compensation based on particle swarm optimization neural network ［J］. China Mechanical Engineering ， 2013 ， 24 （ 2 ）： 174 - 179 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2013.02.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1004-132X.2013.02.007

康彩丽 . 遗传算法优化BP神经网络非线性函数拟合的研究［J］. 忻州师范学院学报， 2019 ， 35 （ 5 ）： 22 - 25 . doi: 10.3969/j.issn.1671-1491.2019.05.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-1491.2019.05.006

KANG C L . Research on optimizing the nonlinear function fitting of BP neural network by genetic algorithm ［J］. Journal of Xinzhou Teachers University ， 2019 ， 35 （ 5 ）： 22 - 25 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1671-1491.2019.05.006 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1671-1491.2019.05.006

高航，薛凌云 . 基于改进遗传算法的反向传播神经网络拟合LED光谱模型［J］. 激光与光电子学进展， 2017 ， 54 （ 7 ）： 294 - 302 . doi: 10.3788/lop54.072302 http://dx.doi.org/10.3788/lop54.072302

GAO H ， XUE L Y . Back propagation neural network based on improved genetic algorithm fitting LED spectral model ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2017 ， 54 （ 7 ）： 294 - 302 . （in Chinese） . doi: 10.3788/lop54.072302 http://dx.doi.org/10.3788/lop54.072302

张译文，徐林，万松 . 基于LED的标准太阳光谱灯拟合算法［J］. 光子学报， 2013 ， 42 （ 5 ）： 596 - 600 . doi: 10.3788/gzxb20134205.0596 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20134205.0596

ZHANG Y W ， XU L ， WAN S . Synthesizing algorithm for LED standard solar spectrum lamp ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2013 ， 42 （ 5 ）： 596 - 600 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20134205.0596 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20134205.0596

蔡军，邹鹏，沈弼龙，等 . 基于改进轮盘赌策略的反馈式模糊测试方法［J］. 四川大学学报（工程科学版）， 2016 ， 48 （ 2 ）： 132 - 138 .

CAI J ， ZOU P ， SHEN B L ， et al . Feedback fuzzing based on improved roulette wheel selection strategy ［J］. Journal of Sichuan University （Engineering Science Edition）， 2016 ， 48 （ 2 ）： 132 - 138 . （in Chinese）

乔冬冬 . 大规模退役锂离子电池的快速筛选与分类方法研究［D］. 上海：上海理工大学， 2019 .

QIAO D D . Study on Rapid Screening and Classification of Large-scale Retired Lithium-ion Batteries ［D］. Shanghai ： University of Shanghai for Science & Technology ， 2019 . （in Chinese）

马天兵，宫晗，杜菲，等 . 基于线结构光和优化PID的压电柔性机械臂振动控制［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 11 ）： 2661 - 2671 . doi: 10.37188/OPE.2021.0207 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2021.0207

MA T B ， GONG H ， DU F ， et al . Piezoelectric flexible manipulator vibration control based on line structured light and optimized PID ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2021 ， 29 （ 11 ）： 2661 - 2671 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.2021.0207 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.2021.0207

胡洋，徐亮，刘建国，等 . 基于模糊控制的傅立叶变换红外光谱仪定镜动态校正研究［J］. 大气与环境光学学报， 2018 ， 13 （ 3 ）： 218 - 225 . doi: 10.3969/j.issn.1673-6141.2018.03.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-6141.2018.03.007

HU Y ， XU L ， LIU J G ， et al . Research on dynamic cablibration of fixed mirror of FTIR based on fuzzy control ［J］. Journal of Atmospheric and Environmental Optics ， 2018 ， 13 （ 3 ）： 218 - 225 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1673-6141.2018.03.007 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1673-6141.2018.03.007

王君 . 基于模糊控制策略的温室远程智能控制系统的研究［D］. 长春：吉林大学， 2015 . doi: 10.2991/itoec-15.2015.39 http://dx.doi.org/10.2991/itoec-15.2015.39

WANG J . Research on Intelligent Greenhouse Remote Control System Based on Fuzzy Control Strategy ［D］. Changchun ： Jilin University ， 2015 . （in Chinese） . doi: 10.2991/itoec-15.2015.39 http://dx.doi.org/10.2991/itoec-15.2015.39

张克非，蒋涛，邵龙，等 . 基于新型模糊PID控制单元的LD精密温控研究［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 3 ）： 648 - 655 . doi: 10.3788/ope.20172503.0648 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172503.0648

ZHANG K F ， JIANG T ， SHAO L ， et al . Research on precision temperature control of laser diode based on the novel fuzzy-PID control unit ［J］. Optics and Precision Engineering ， 2017 ， 25 （ 3 ）： 648 - 655 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172503.0648 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172503.0648

陈诗慧 . 基于神经网络的模糊PID伺服电机控制系统仿真研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2019 .

CHEN SH H . Simulation Research of Fuzzy PID Servo Motor Control System Based on Neural Network ［D］. Nanjing ： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ， 2019 . （in Chinese）

欧阳鑫川，杨博文，万金银，等 . 基于模糊控制的自适应激光功率稳定系统研究［J］. 中国激光， 2021 ， 48 （ 1 ）： 49 - 55 . doi: 10.3788/cjl202148.0101003 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202148.0101003

OUYANG X CH ， YANG B W ， WAN J Y ， et al . Self-adaptive laser power stabilization system based on fuzzy control ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2021 ， 48 （ 1 ）： 49 - 55 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl202148.0101003 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202148.0101003

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