光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)原理及發(fā)展現(xiàn)狀

1、ChangchunUniversityofScienceandTechnology光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)原理及發(fā)展現(xiàn)狀2012 年 6 月礴點(diǎn)春理可學(xué)目錄摘要 1.1.第 1 1 章引言 2.2.第 2 2 章光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)的基本原理 3 32.12.1 計(jì)算機(jī)控制單元 3.3.2.22.2 環(huán)路控制單元 3.3.第 3 3 章光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 5 51瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定技術(shù) 5.5.1復(fù)合控制技術(shù) 5.5.1等效復(fù)合控制與預(yù)測濾波技術(shù).6.6.1共軸跟蹤技術(shù) 6.6.1復(fù)合軸控制技術(shù) 7.7.1其它高精度控制技術(shù) 8.8.第 4 4 章光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及

2、趨勢 9 9國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 9.9.發(fā)展趨勢 9.9.摘要光電跟蹤儀中的伺服控制系統(tǒng)是光電跟蹤設(shè)備的重要組成部分，其跟蹤精度是衡量光電跟蹤設(shè)備的主要指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤控制，成為許多高精度光電跟蹤設(shè)備必須解決的難題之一。 因此要獲得高精度的光電跟蹤儀， 必須深入了解其伺服控制系統(tǒng)。本文從光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)及其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢三方面對其進(jìn)行了介紹，為伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究提供了參考。關(guān)鍵詞：光電跟蹤，伺服控制系統(tǒng)，跟蹤精度第1章引言光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)是一個(gè)包括光電探測、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)及精密機(jī)械等幾部分組成的復(fù)雜設(shè)備。 它的主要功能是根據(jù)光電傳感器送來的目標(biāo)

3、位置偏差信號(hào)的大小及方向控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)跟蹤軸，減小偏差，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的光電閉環(huán)自動(dòng)跟蹤，其具有實(shí)時(shí)性、精度高的特點(diǎn)，在靶場測量、武器控制、航空等各種軍用與民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展、目標(biāo)機(jī)動(dòng)性能的增強(qiáng)，對光電跟蹤儀的伺服控制系統(tǒng)要求越來越高，要求其響應(yīng)更快、穩(wěn)定和跟蹤精度更高。某些系統(tǒng)甚至要求跟蹤精度達(dá)到 lradlrad 多年來， 國內(nèi)外的科技工作者在提高光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)跟蹤精度方面進(jìn)行了深入的伺服控制策略方面的研究。為此，深入了解光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與研究及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對于探討進(jìn)一步提高其性能指標(biāo)的方法具有重要的意義。第2章光電跟蹤儀伺

4、服控制系統(tǒng)的基本原理該系統(tǒng)一般由計(jì)算機(jī)控制單元、環(huán)路控制單元、電源及控保單元、功率驅(qū)動(dòng)單元及轉(zhuǎn)臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。其基本原理是：計(jì)算機(jī)控制單元接受光電傳感器送來的目標(biāo)位置偏差信號(hào)（引導(dǎo)信號(hào)），并采集各端口的控制狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的工作模式，經(jīng)過一定的算法運(yùn)算對信號(hào)進(jìn)行處理后，送至環(huán)路控制單元，環(huán)路控制單元通過控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)光電傳感器，使光電傳感器的光軸指向目標(biāo)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的目的。計(jì)算機(jī)控制單元計(jì)算機(jī)控制單元主要完成接收轉(zhuǎn)臺(tái)測角數(shù)據(jù)、 接收激光距離數(shù)據(jù)、 接收電視差值數(shù)據(jù)、完成系統(tǒng)自檢、采集各種工作狀態(tài)和通道切換等功能。系統(tǒng)具有手動(dòng)、自動(dòng)和引導(dǎo)等工作模式。程序控制流程如圖 2-12-1

5、 所示圖 2-1 程序控制流程環(huán)路控制單元為保證系統(tǒng)具有良好的控制特性，環(huán)路控制模塊通常采用位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)三環(huán)控制技術(shù)。具結(jié)構(gòu)如圖 2-22-2 所示。其中，電流環(huán)是系統(tǒng)內(nèi)環(huán)，可以看作速度環(huán)的一個(gè)環(huán)節(jié)，具有控制電機(jī)電流、防止電機(jī)電流超過額定值、拓寬系統(tǒng)帶寬、抵抗負(fù)載力矩?cái)_動(dòng)和改善電機(jī)動(dòng)態(tài)性能等功能。為使電機(jī)電流超調(diào)量小，電流環(huán)設(shè)計(jì)成典型 I I 型系統(tǒng)，具結(jié)構(gòu)如圖 2-32-3 所示。速度環(huán)設(shè)計(jì)成 R R型系統(tǒng)，具結(jié)構(gòu)如圖 2-42-4 所示。位置環(huán)保證系統(tǒng)按一定的精度完成自動(dòng)跟蹤，為保證系統(tǒng)跟蹤精度，位置環(huán)設(shè)計(jì)成 R R 型結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2-52-5 所示。R R 型結(jié)構(gòu)與 I I

6、 型結(jié)構(gòu)相比，具有抗干擾能力強(qiáng)，速度響應(yīng)無靜差的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是超調(diào)量大。圖 2-2 系統(tǒng)環(huán)路結(jié)構(gòu)第3章光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定技術(shù)在光電跟蹤伺服系統(tǒng)中， 由于載體的姿態(tài)變化， 擾動(dòng)力矩都會(huì)使瞄準(zhǔn)線指向發(fā)生變化，為了能對被觀測目標(biāo)進(jìn)行跟蹤觀測，要求光電平臺(tái)指向能按照給定指令按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。跟蹤伺服系統(tǒng)會(huì)受到周期性的擾動(dòng)，造成跟蹤精度下降，甚至丟失目標(biāo)。為準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)，減小載體運(yùn)動(dòng)給跟蹤瞄準(zhǔn)帶來的擾動(dòng)誤差，須建立穩(wěn)定分系統(tǒng)將天線視軸與基座擾動(dòng)隔離，達(dá)到輸出視軸“穩(wěn)定”在慣性空間方向。目前，工程上常用的兩軸穩(wěn)定一般有兩種方法：一種是解算穩(wěn)定技術(shù)，另一種是陀螺穩(wěn)定技術(shù)。解算穩(wěn)定技術(shù)是利

7、用載體上的導(dǎo)航系統(tǒng)提供的偏航、橫搖、縱搖等姿態(tài)信息，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)坐標(biāo)變換，將載體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換到瞄準(zhǔn)線的方位角和俯仰角的等效運(yùn)動(dòng)，利用天線伺服系統(tǒng)控制天線向相反方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定。具缺點(diǎn)穩(wěn)定精度與載體提供的姿態(tài)信息精度和實(shí)時(shí)性關(guān)系密切。陀螺穩(wěn)定技術(shù)主要原理是在天線方位和俯仰軸上安裝兩個(gè)敏感軸相互垂直的速率陀螺，分別敏感出天線在方位和俯仰上相對于穩(wěn)定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)，并將此信號(hào)作為速度反饋，以此實(shí)現(xiàn)回路穩(wěn)定。由于穩(wěn)定是二維的，而擾動(dòng)時(shí)三維的，載體繞第三軸的運(yùn)動(dòng)無法被陀螺所敏感而造成牽連運(yùn)動(dòng)。它造成了無線電軸隨載2粗a圖 2-4 速度環(huán)環(huán)路結(jié)構(gòu)圖 2-5 位置環(huán)環(huán)路結(jié)構(gòu)體的擺動(dòng)，使其

8、偏離了跟蹤目標(biāo)，穩(wěn)定系統(tǒng)無法消除這種擾動(dòng)。為此，載體擺動(dòng)引起的電軸偏離跟蹤目標(biāo)所產(chǎn)生的誤差，由計(jì)算機(jī)補(bǔ)償來完成。采用速度陀螺的自穩(wěn)回路是目前通用的一種自穩(wěn)定技術(shù)。具充分將載體本身提供的姿態(tài)數(shù)據(jù)引入到系統(tǒng)中， 增加一個(gè)控制環(huán)路可以很好地提高系統(tǒng)對載體搖擺和低頻振動(dòng)基座的隔離度。復(fù)合控制技術(shù)在一般的閉環(huán)控制中， 通過提高開環(huán)增益或者增加積分環(huán)節(jié)以提高無差度來提高跟蹤精度，但同時(shí)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成了影響。復(fù)合控制就是在閉環(huán)控制系統(tǒng)中再增加一開環(huán)控制支路，用以提供輸人信號(hào)的一次微分或二次微分。該系統(tǒng)被稱為復(fù)合控制或前饋控制系統(tǒng)。 利用復(fù)合控制可以較好地解決一般閉環(huán)伺服系統(tǒng)普遍存在的跟蹤精度與穩(wěn)定性之間

9、的矛盾，很容易將跟蹤精度提高幾倍乃至幾十倍，但又不影響原閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。等效復(fù)合控制與預(yù)測濾波技術(shù)在激光、 紅外和電視等光電跟蹤系統(tǒng)中， 傳感器只能提供目標(biāo)與傳感器視軸之間的偏差，即跟蹤誤差，無法給定目標(biāo)的空間坐標(biāo)位置，因此也無法給出目標(biāo)的速度與加速度，所以直接應(yīng)用復(fù)合控制是無法實(shí)現(xiàn)的。解決的辦法一種是等效復(fù)合控制， 即采用速度滯后補(bǔ)償?shù)霓k法。 因目標(biāo)位置為瞄準(zhǔn)線位置和傳感器的跟蹤誤差之和，即q q二入,二?則d-d-_ _”o o出一dtdt出通過上述運(yùn)算就可近似得到目標(biāo)速度， 進(jìn)而構(gòu)成復(fù)合控制。 顯然傳感器系統(tǒng)測得的跟蹤誤差具有滯后性，所以可以通過滯后補(bǔ)償技術(shù)或者預(yù)測濾波技術(shù)進(jìn)一步提高跟

10、蹤精度。也就是第二種方法即采用濾波預(yù)測技術(shù)， 用濾波預(yù)測技術(shù)可在跟蹤中預(yù)測目標(biāo)位置和速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。常用的預(yù)測濾波有幾種。即有限記憶最小平方濾波、常增益最優(yōu)遞推濾波、自適應(yīng)濾波和卡爾曼濾波。共軸跟蹤技術(shù)為了抑制目標(biāo)回波起伏和接收機(jī)噪聲必須把伺服系統(tǒng)的帶寬限制在很窄的范圍內(nèi)， 在現(xiàn)代雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)中，更多的是采用數(shù)據(jù)處理技術(shù)對數(shù)據(jù)加以濾波修正，從而達(dá)到減小系統(tǒng)總誤差的目的。 共軸跟蹤技術(shù)就是把濾波與伺服兩者分離即把目標(biāo)數(shù)據(jù)輸出與天線指向分離開來，采用數(shù)字處理技術(shù)提供精確的雷達(dá)數(shù)據(jù)輸出，而伺服系統(tǒng)只保證天線的跟蹤指向，從而解決了雷達(dá)輸出數(shù)據(jù)的精度受伺服系統(tǒng)質(zhì)量束縛的限制。采用共軸跟蹤技術(shù)構(gòu)成的光

11、電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)有兩部分組成，一是目標(biāo)位置合成、濾波、預(yù)測；二是后面的數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)，這兩部分基本是相互獨(dú)立的。第一部分可以采用濾波預(yù)測技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行最佳濾波，濾波器頻帶與后面伺服系統(tǒng)關(guān)系不大，主要與目標(biāo)特性及探測器有關(guān)。這樣濾波器可以按盡量濾除探測器噪聲設(shè)計(jì)，而數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)部分可以按照盡量減小動(dòng)態(tài)滯后誤差設(shè)計(jì)，還可以用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)引導(dǎo)數(shù)字隨動(dòng)系統(tǒng)，構(gòu)成典型的復(fù)合控制，可以按減小動(dòng)態(tài)滯后誤差作最佳設(shè)計(jì)。由于采用的是復(fù)合控制， 濾波器還可以對其它的系統(tǒng)誤差作補(bǔ)償校正， 系統(tǒng)跟蹤精度可以很高。這樣就可以像引導(dǎo)工作一樣，構(gòu)成復(fù)合控制。速度前饋信號(hào)通過對合成目標(biāo)位置、速度預(yù)測濾波得到。由得到的合成

12、目標(biāo)位置數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行引導(dǎo)，引導(dǎo)期間不再使用電視脫靶量、紅外脫靶量，而只用編碼器位置數(shù)據(jù)與目標(biāo)位置數(shù)據(jù)之差調(diào)節(jié)跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)將合成目標(biāo)的速度信息送入控制系統(tǒng)。對控制系統(tǒng)而言，就相當(dāng)于一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)了，可以與引導(dǎo)工作方式一樣，采用前饋技術(shù)來提高系統(tǒng)跟蹤精度。復(fù)合軸控制技術(shù)對于大加速度目標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤， 按經(jīng)典控制理論采用單軸的伺服控制系統(tǒng)是困難的，它不僅受到寬視場高分辨率，快速響應(yīng)的探測器的限制，同時(shí)也受到先機(jī)跟蹤架的機(jī)械結(jié)構(gòu)諧振頻率的限制。理論和實(shí)踐表明，復(fù)合軸伺服控制技術(shù)是解決上述矛盾，實(shí)現(xiàn)武器精密跟瞄的一種行之有效的途徑，目前已取得角秒級或更高的跟蹤精度。復(fù)合軸控制系統(tǒng)有兩個(gè)嵌套型的伺

13、服控制回路組成，如圖 3-13-1 所示：一個(gè)主伺服回路和一個(gè)子伺服回路。主伺服控制回路起粗跟蹤瞄準(zhǔn)作用，具跟蹤的視場大，頻帶較窄，跟蹤精度差，但動(dòng)態(tài)范圍寬，可完成目標(biāo)的捕獲與粗跟蹤。子伺服控制回路以主伺服控制回路的誤差信號(hào)作輸人信號(hào)，對該誤差信號(hào)通過反饋進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)校正，其跟蹤的視場小、頻帶寬、響應(yīng)快和跟蹤精度高，能在主伺服粗跟蹤的基礎(chǔ)上完成精跟蹤。因此，子伺服回路起精密校準(zhǔn)作用，進(jìn)一步減小了主回路的跟蹤瞄準(zhǔn)誤差，其特點(diǎn)為：(1)(1)復(fù)合軸系統(tǒng)的快速性與子軸的一致， 由于復(fù)合軸系統(tǒng)的無差度等于主、 子系統(tǒng)無差度之和。因此，系統(tǒng)具有很高的跟蹤精度。(2)(2)子、主系統(tǒng)穩(wěn)定是復(fù)合軸系統(tǒng)穩(wěn)定的前

14、提，在實(shí)際系統(tǒng)中，要達(dá)到一定的穩(wěn)定裕度，還必須提高子、主系統(tǒng)的帶寬比。(3)(3)子軸克服主軸誤差高頻分量的能力反映了其克服主軸誤差的能力。這種能力越強(qiáng)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)跟蹤的均方誤差越小。提高這種能力的關(guān)鍵在于提高子、主系統(tǒng)的帶寬比。當(dāng)前復(fù)合軸跟蹤控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于光電跟蹤系統(tǒng)上， 獲得了角秒級或更高的跟蹤精度。其它高精度控制技術(shù)時(shí)間最優(yōu)控制要求跟蹤系統(tǒng)在跟蹤過程中，快速過渡無超調(diào)，即系統(tǒng)從一個(gè)T狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)，目標(biāo)函數(shù) J J=（出=丁為最小。最優(yōu)控制幾乎都是用計(jì)-0算機(jī)實(shí)現(xiàn)。工程上通常采用“雙?？刂啤狈绞?， 即調(diào)節(jié)對象按線性和開關(guān) 2 2 種控制方式工作。 當(dāng)誤差超出一定區(qū)域時(shí)系統(tǒng)以開關(guān)

15、方式工作，以便迅速減小誤差；當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)換區(qū)域后轉(zhuǎn)入線性控制，使誤差迅速接近 0 00 0具有自適應(yīng)光學(xué)的高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)可以克服大氣擾動(dòng)影響。其波前探測器可檢測出波前失真，然后由控制系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)變形反射鏡以補(bǔ)償波前失真。校正后的波束入射到跟蹤探測器上可獲得高分辨率的目標(biāo)像，提高了探測精度，亦即可以提高跟蹤精度。柔性控制可以保持原結(jié)構(gòu)的柔性， 用一個(gè)多輸人多輸出的數(shù)字控制系統(tǒng)來控制視軸而不是機(jī)架，美國已在某大型跟蹤系統(tǒng)上作了嘗試。柔性控制要求在結(jié)構(gòu)分析和控制系統(tǒng)分析之間建立一套嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，顯然應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)難度很大。如果能成功地應(yīng)用柔性控制，就可以建立一個(gè)小而輕的跟蹤架結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)控制

16、和信息處理是跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 由于高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)要處理的信息量大、采樣頻率又高，所以提高運(yùn)算速度至關(guān)重要。除采用盡可能高速度的計(jì)算機(jī)外，主要應(yīng)將功能分散，采用多機(jī)并行系統(tǒng)，提高軟件功能，軟件硬化及研制專用機(jī)等。由于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成度越來越高，速度也越來越快，這些都為計(jì)算機(jī)在高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來了充分的條件，也使計(jì)算機(jī)控制性能越來越好。第4章光電跟蹤儀伺服控制系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀在電視跟蹤領(lǐng)域，目前國內(nèi)外主要的控制方法是以經(jīng)典控制方法為主，各種改進(jìn)方法都是在此基礎(chǔ)上針對系統(tǒng)中影響較大的因素加以補(bǔ)償。國內(nèi)的大型光測儀器，也是多采用速度滯后補(bǔ)償、

17、加速度滯后補(bǔ)償?shù)瓤刂品椒?gòu)成近似復(fù)合控制。國外許多光測設(shè)備也采用了經(jīng)典的 PIDPID 控制技術(shù)。在“雙?？刂啤奔夹g(shù)方面， 美國多反射鏡望遠(yuǎn)鏡 MMTMMT 設(shè)計(jì)了一個(gè)準(zhǔn)最優(yōu)控制定值時(shí)積分器不工作，而是用位置誤差平方根控制速度回路的系統(tǒng)，它將產(chǎn)生一個(gè)具有恒定加速度的拋物線軌跡，使位置誤差和速度誤差同時(shí)到達(dá) 0 0MMTMMT 的過渡過程十分平穩(wěn)，跟蹤精度達(dá)到 1.51.5”，為地面設(shè)備最高水平。在自適應(yīng)光學(xué)性能方面， 目前國內(nèi)外已經(jīng)開展自適應(yīng)光學(xué)與精密跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合的研究，雖然很多理論與技術(shù)問題需要解決，但采用自適應(yīng)光學(xué)的跟蹤系統(tǒng)仍是極有前途的跟蹤系統(tǒng)。在高精度軸角測量技術(shù)方面， 美國法蘭德感

18、應(yīng)同步器分辨率為 47nrad,47nrad,相當(dāng)于 2626 位。據(jù)報(bào)道，美國分辨率最高的編碼器為 2727 位，但測角精度約僅達(dá)到 11（5 5pradprad）發(fā)展趨勢光電跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，許多參數(shù)難以精確確定，在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，具有嚴(yán)重的非線性；由于經(jīng)典控制方法多用于線性定常系統(tǒng)，主要研究單輸入單輸出問題，它不適合控制對象參數(shù)變化、非線性程度大等場合。而機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤的基本問題是目標(biāo)模型的動(dòng)力學(xué)方程與目標(biāo)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)存在著不匹配。跟蹤過程就是估計(jì)目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻（濾波）和未來時(shí)刻（預(yù)測）的狀態(tài)，包括各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通常，估計(jì)是在兩種不確定性情況下進(jìn)行的，即由于目標(biāo)的高度機(jī)動(dòng)所產(chǎn)生的目標(biāo)模型的不確定性，以及由于干擾、噪聲導(dǎo)致的量測的不確定性，這就導(dǎo)致量測與現(xiàn)有航跡互聯(lián)時(shí)產(chǎn)生誤差。正因?yàn)槿绱?，?shù)十年來，機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤已成為估計(jì)領(lǐng)域很重要的研究方向。正是由于目標(biāo)機(jī)動(dòng)時(shí)經(jīng)典控制方法不能很好的反映系統(tǒng)的實(shí)際，近些年來一些新型的控制方