光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能提高的研究

光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能提高的研究,光電,跟蹤,伺服系統(tǒng),性能,機(jī)能,提高,研究,鉆研 ……………………. ………………. ………………… 裝 訂 線 ……………….……. …………. …………. ……… 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 畢 業(yè) 論 文 光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能提高的研究 院 部 機(jī)械與電子工程學(xué)院 專業(yè)班級 電氣工程及其自動(dòng)化5班 屆 次 2015屆 學(xué)生姓名 姜魯云 學(xué) 號 20110760 指導(dǎo)教師 劉興華 二О一五年六月六日 vi 目 錄 摘 要 ………………………………………………………………………………………………. I Abstract 1 1 緒論 1 1.1光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)簡介 1 1.2伺服系統(tǒng)的概念及其基本要求 1 1.2.1伺服系統(tǒng)的概念 1 1.2.2伺服系統(tǒng)的基本要求 1 1.3光電跟蹤伺服系統(tǒng)原理 2 1.4光電跟蹤伺服系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.5論文主要研究內(nèi)容及意義 3 1.5.1論文研究的主要研究內(nèi)容 3 1.5.2 論文主要研究內(nèi)容的意義 3 2 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的組成及其數(shù)學(xué)模型 3 2.1 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的組成 3 2.2光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 4 2.2.1 CCD跟蹤器 4 2.2.2數(shù)字控制器 6 2.2.3 PWM功率放大器 6 2.2.4直流力矩電機(jī) 7 2.2.5光電編碼器 9 2.3數(shù)字模型的建立 9 2.4本章小結(jié) 10 3 光電跟蹤雙環(huán)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 10 3.1控制系統(tǒng)校正的基本概念及性能指標(biāo) 10 3.2控制系統(tǒng)校正方式 10 3.3伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 11 3.3.1系統(tǒng)性能分析 12 3.3.2速度回路設(shè)計(jì) 12 3.3.3位置回路設(shè)計(jì) 15 3.4本章小節(jié) 19 4 基于SIMULINK光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)仿真研究 20 4.1引言 20 4.2 MATLAB/SIMULINK簡介 20 4.3基于SIMULINK仿真模型的建立 21 4.4仿真結(jié)果分析 24 5總結(jié)與展望 25 5.1總結(jié) 24 5.2展望 24 致 謝 26 參考文獻(xiàn) 28 附錄1 29 附錄2 29 附錄3 30 Contents Abstract 1 1 Introduction 1 1.1 Introduction of servo control system for photoelectric tracking 1 1.2 The concept and basic requirements of servo system 1 1.2.1 The concept of servo system 1 1.2.2 Basic requirements for servo system 1 1.3 Principle of servo system for photoelectric tracking 2 1.4 Development of the optoelectronic tracking servo system at home and abroad 2 1.5 The main content and significance of the research 3 1.5.1 The main research content of the paper 3 1.5.2 The significance of the main research content of the paper 3 2 The composition and the mathematical model of the servo control system 3 2.1 the composition of the servo control system 3 2.2 the mathematical model of the subsystems of the servo control system 4 2.2.1 CCD tracker 4 2.2.2 digital controller 6 2.2.3 power amplifier 6 2.2.4 DC torque motor 7 2.2.5 encoder 9 2.3 establishment of digital model 9 2.4 summary 10 3 the design of the dual loop servo control system for the opto electronic tracking 10 3.1 basic concepts and performance index of control system correction 10 3.2 control system correction mode 10 3.3 servo system design 11 3.3.1 system performance analysis 12 3.3.2 speed loop design 12 3.3.3 position loop design 15 3.4 summary 19 4 the servo control system simulation based on MATLAB 20 4.1 introduction 20 4.2 MATLAB/SIMULINK introduction 20 4.3 based on SIMULINK simulation model 21 4.4 simulation results analysis 24 4.5 before integrating inertia link Fifth chapter summary and prospect 5 summary and outlook 24 5.1 summary 24 5.2 outlook 24 Thanks 26 Reference 27 Appendix 1 28 Appendix 2 29 Appendix 3 30 光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能提高的研究 姜魯云 （山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院 泰安 271018） 摘要：光電跟蹤技術(shù)是近幾年來發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，這種技術(shù)主要原理是把光電傳感器送來的目標(biāo)位置偏差信號送至計(jì)算機(jī)控制單元，經(jīng)過一定的算法對信號進(jìn)行處理， 通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺帶動(dòng)光電傳感器的跟蹤軸指向目標(biāo)，讓偏差變小，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的光電閉環(huán)自動(dòng)跟蹤，具有很好的實(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。光電跟蹤系統(tǒng)在國防建設(shè)中具有巨大作用，我國在光電跟蹤系統(tǒng)領(lǐng)域與國外存在巨大差距，為了追趕國外和促進(jìn)相關(guān)科技領(lǐng)域的發(fā)展，研究如何提高光電跟蹤系統(tǒng)性能具有重要戰(zhàn)略意義。本論文介紹位置速度雙閉環(huán)控制方法，采用該方法可以大程度提高光電跟蹤系統(tǒng)性能。本文首先對光電跟蹤伺服系統(tǒng)的基本原理以及國內(nèi)外發(fā)展情況進(jìn)行了介紹，然后建立了光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，接著進(jìn)行光電跟蹤雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，然后利用MATLAB/SIMULINK建立了系統(tǒng)的仿真模型。對本文提出的提高光電跟蹤伺服系統(tǒng)性能的方法進(jìn)行了仿真與驗(yàn)證，取得了與理論分析一樣的結(jié)果，證明了此方法的正確性。最后針對仿真中的一些現(xiàn)象出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，并且提出了適合的解決辦法。 關(guān)鍵詞：光電跟蹤伺服系統(tǒng) MATLAB/SIMULINK Dynamic integral control method for EO tracking serve system Luyun Jiang (Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Tai’an, Shandong 271018) Abstract Photoelectric tracking technology is one of the high technology developed in recent years, the main principle of this technique is to send sent by the photoelectric sensor target position error signal to the computer control unit, after the signal is processed by the algorithm, through a certain algorithm of signal processing, by controlling the servo motor drive drive turntable photoelectric sensor tracking axis pointing to the target, reduce errors, achieve the target photoelectric closed-loop automatic tracking, with real-time, high precision characteristics, in the range measurement, weapon control, aviation and so on protection and civil fields have a wide range of applications.The dynamic error of the servo control system is gradually increased with the increase of the velocity and acceleration of the target motion. Control of optoelectronic tracking servo system is required more and more high, the existing control methods have been unable to meet the requirements of control precision, the improved servo control the tracking accuracy of the system has become the focus of many researchers in-depth study in recent years. This paper introduces the method of dynamic high - type control, and can largely reduce the tracking error by using this method.Firstly the opto-electronic tracking servo system basic principle and domestic and foreign development were introduced, and then establish the opto-electronic tracking servo control system mathematical model, and using Matlab / Simulink to establish the simulation model of the system. Finally, some problems in the simulation are analyzed, and the possible solutions are proposed. Keywords: Tracking serve system MATLAB/SIMULIN 31 1 緒論 1.1 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)簡介 光電跟蹤系統(tǒng)一般主要由光學(xué)系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、測角系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等組成，綜合了光學(xué)、電子學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，與無線電跟蹤測量技術(shù)相比，具有測量精度高、直觀性強(qiáng)、性能可靠和不受地面雜波干擾影響等優(yōu)點(diǎn)。 光電跟蹤技術(shù)是近年來發(fā)展起來的高新技術(shù)，這種技術(shù)主要原理是把光電傳感器送來的目標(biāo)位置偏差信號送至計(jì)算機(jī)控制單元，經(jīng)過一定的算法對信號進(jìn)行處理，通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺帶動(dòng)光電傳感器的跟蹤軸指向目標(biāo)，減少偏差，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的光電閉環(huán)自動(dòng)跟蹤，具有很好的實(shí)時(shí)性、精度高的特點(diǎn)，在靶場測量、武器控制、航空等多種軍用與民用領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用。 隨著現(xiàn)代科技技術(shù)的迅速發(fā)展、目標(biāo)機(jī)動(dòng)性能越來越強(qiáng)，對光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)要求也變得越來越高，必須達(dá)到響應(yīng)更快、穩(wěn)定和跟蹤精度更高的性能指標(biāo)的保障。甚至有些系統(tǒng)已經(jīng)要求跟蹤精度必須達(dá)到1μrad。多年來，國內(nèi)外許多科技工作者在提高光電跟蹤伺服系統(tǒng)跟蹤精度方面進(jìn)行了大量深入的研究與探討。 為此，要更深入的去了解光電跟蹤伺服系統(tǒng)的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，對于研究進(jìn)一步提高性能指標(biāo)的方法具有深刻的意義。 1.2 伺服系統(tǒng)的概念及其基本要求 1.2.1 伺服系統(tǒng)的概念 伺服系統(tǒng)（servomechanism）又稱隨動(dòng)系統(tǒng)，是用來精準(zhǔn)地跟蹤或者復(fù)現(xiàn)某一個(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)[1]。它的主要目的是使被控量迅速地按照一樣的規(guī)律變化并與輸入信號的誤差確定在規(guī)定范圍內(nèi)。按照控制命令的要求來對功率進(jìn)行放大然后變換與調(diào)控等處理，這樣能做到使驅(qū)動(dòng)裝置輸出的力矩、速度和位置控制等都變得非常靈活方便。在大多數(shù)情況下，伺服系統(tǒng)特指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機(jī)械位移或者位移速度和加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機(jī)械位移（或轉(zhuǎn)角）精確地追蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角），結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)并沒有太大的區(qū)別。 1.2.2 伺服系統(tǒng)的基本要求 伺服系統(tǒng)的功能是使輸出快速而準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)給定，對伺服系統(tǒng)有以下幾個(gè)基本要求： (1)穩(wěn)定性好。在給定輸入和外界干擾下，能在快速的過渡過程后，達(dá)到新的平衡狀態(tài)，或者恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。 (2)精度高。伺服系統(tǒng)的精度是指輸出量跟隨給定值的精確程度。 (3)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。動(dòng)態(tài)響應(yīng)是伺服系統(tǒng)重要的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，要求系統(tǒng)對給定的跟隨速度足夠快，跟隨時(shí)間足夠的少。而且超調(diào)小，甚至要求無超調(diào)。 (4)抗干擾能力強(qiáng)。在各種擾動(dòng)作用時(shí)，系統(tǒng)輸出動(dòng)態(tài)變化小，恢復(fù)時(shí)間用時(shí)少，震蕩次數(shù)少，甚至要求無震蕩。 1.3 光電跟蹤伺服系統(tǒng)原理 光電傳感器送來的目標(biāo)位置偏差信號傳送給計(jì)算機(jī)控制單元，同時(shí)采集各端口的控制狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式，通過一些特定的運(yùn)算對信號進(jìn)行處理，然后送至環(huán)路控制單元，通過控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺帶動(dòng)光電傳感器，并使光電傳感器的光軸指向目標(biāo)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤的目標(biāo)。 1.4 光電跟蹤伺服系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 針對光電跟蹤，目前國內(nèi)外主要的控制方法經(jīng)典控制，各種改進(jìn)辦法都是在此基礎(chǔ)上針對系統(tǒng)中影響很大的因素進(jìn)行補(bǔ)償。國內(nèi)的大型光測儀器，大多數(shù)也是采用速度滯后補(bǔ)償、加速度滯后補(bǔ)償?shù)瓤刂品椒?gòu)成一種近似復(fù)合控制的方法。國外許多光測設(shè)備一般也是采用了經(jīng)典的PID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MMT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，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。MMT的過渡過程非常平穩(wěn)，跟蹤精度達(dá)到1.5''，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)合的研究與探討，盡管很多理論與技術(shù)問題任然需要解決，但是采用自適應(yīng)光學(xué)的跟蹤系統(tǒng)仍然具有很大的發(fā)展前景。 在高精度軸角測量技術(shù)方面，美國法蘭德感應(yīng)同步器分辨率為47nrad，相當(dāng)于26位。據(jù)報(bào)道，美國分辨率最高的編碼器為27位，但測角精度約僅達(dá)到1''(5μrad)。 光電跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很多參數(shù)都很難進(jìn)行準(zhǔn)確的確定，所以在建立系統(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。 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)存在著很多不匹配的情況。跟蹤過程就是估計(jì)目標(biāo)當(dāng)前時(shí)刻和未來時(shí)刻的狀態(tài)，包括各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)。通常是在兩種不確定性情況下進(jìn)行的，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，和于干擾、噪聲導(dǎo)致的量測的不確定性，這就直接導(dǎo)致量測與現(xiàn)有航跡互聯(lián)時(shí)產(chǎn)生誤差很大。正因?yàn)槿绱?，?shù)十年來，機(jī)動(dòng)目標(biāo)跟蹤成為估計(jì)領(lǐng)域十分重要的研究方向。 正是由于目標(biāo)機(jī)動(dòng)時(shí)經(jīng)典控制方法不能良好的反映出系統(tǒng)的實(shí)際情況，近些年來一些新型的控制方法不斷應(yīng)用到跟蹤伺服控制系統(tǒng)中來，用于提高目標(biāo)跟蹤的穩(wěn)定性。這些新型的控制方法包括多模控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及它們之間相互滲透形成的混合控制。美國的MMT多反射鏡系統(tǒng)和JCMT系統(tǒng)均采用了雙模控制技術(shù)，大幅度的提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增強(qiáng)了動(dòng)態(tài)捕獲能力。 隨著自動(dòng)控制理論的不斷大力發(fā)展，光電跟蹤中伺服控制系統(tǒng)新的控制方法也隨之出現(xiàn)，特別是自適應(yīng)濾波和預(yù)測方法、數(shù)據(jù)融合技術(shù)的逐漸引入，大程度提高了目標(biāo)發(fā)生機(jī)動(dòng)時(shí)的跟蹤時(shí)的穩(wěn)定性。而且由于計(jì)算機(jī)的離線應(yīng)用的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和建模等的數(shù)字仿真，減少了設(shè)計(jì)周期，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)質(zhì)量。 1.5 論文主要研究內(nèi)容及意義 1.5.1 論文研究的主要研究內(nèi)容 第一章“緒論”，簡要介紹了光電跟蹤伺服系統(tǒng)的組成；和簡單介紹下國內(nèi)外光電跟蹤伺服系統(tǒng)的發(fā)展情況，最后提出了本文的研究內(nèi)容確定了研究的方向與目標(biāo)。 第二章“光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的組成及數(shù)學(xué)模型”，根據(jù)對每一個(gè)環(huán)節(jié)的分析，確定每一環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，最后建立了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 第三章“光電跟蹤雙閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，速度位置雙閉環(huán)是目前光電跟蹤伺服系統(tǒng)中主要采用的一種控制方式。并對雙閉環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和參數(shù)校正。 第四章“基于SIMULINK光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)仿真研究”， 利用MATLAB/SIMULINK軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，對第三章設(shè)計(jì)好的速度位置校正參數(shù)的多次調(diào)試來進(jìn)行提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 第五章“總結(jié)與展望”，對本論文進(jìn)行了總結(jié)，針對光電跟蹤伺服系統(tǒng)控制方式進(jìn)行了展望。 附錄一 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)仿真框圖 附錄二 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)MATLAB仿真程序 1.5.2 論文主要研究內(nèi)容的意義 光電跟蹤系統(tǒng)在國防建設(shè)中具有巨大作用，我國在光電跟蹤系統(tǒng)領(lǐng)域與國外存在巨大差距，為了追趕國外和促進(jìn)相關(guān)科技領(lǐng)域的發(fā)展，研究如何提高光電跟蹤系統(tǒng)性能具有重要戰(zhàn)略意義。 2 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的組成及其數(shù)學(xué)模型 2.1 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的組成 為了更深層了理解光電跟蹤伺服系統(tǒng)和深入研究雙閉環(huán)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì),首先要了解整個(gè)光電跟蹤伺服系統(tǒng)的基本組成以及工作原理,為了進(jìn)行系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)和測試需對各組成部分?jǐn)?shù)學(xué)模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述,為此,本章對輸入信號到輸出信號所經(jīng)過的電視跟蹤器、計(jì)算機(jī)控制器、PWM功率放大器、伺服電機(jī)、光電傳感器等各環(huán)節(jié)分別作了解釋分析,并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)學(xué)描述,為后續(xù)研究內(nèi)容做了鋪墊。 C C D 被 控 對 象 PWM 功率放大器 光電編碼器 位 置 輸 出 位置、速度回路校正 PWM波調(diào)制電路 空 間 目 標(biāo) 光閉合 圖2-1 數(shù)字化光電跟蹤PWM伺服系統(tǒng)組成方框圖 伺服系統(tǒng)主要由數(shù)字控制器、功率驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)和光電傳感器四大部分組成，圖中CCD攝像機(jī)和信號處理電路組成構(gòu)成光電傳感系統(tǒng)，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號延遲，模仿人眼的轉(zhuǎn)換功能，經(jīng)過光學(xué)閉合，完成位置誤差檢測，產(chǎn)生脫靶量，即誤差檢測信號。控制器則由位置、速度回路校正和PWM調(diào)制電路組成，完全由計(jì)算機(jī)控制，產(chǎn)生的脫靶量作為輸入信號模擬PWM信號，PWM波調(diào)制環(huán)節(jié)是D/A轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。功率驅(qū)動(dòng)器即為圖中的PWM功率放大器，現(xiàn)代技術(shù)用到最多的控制技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制，其基本思想是：控制逆變器中電力電子器件的開通或關(guān)斷。因此電視幅值相等、寬度一定規(guī)律變化的脈沖序列，用這樣的高頻脈沖序列代替期望的輸出電壓。被控對象則是伺服電動(dòng)機(jī)。光電傳感器則是光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何唯一轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。 2.2 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 2.2.1 電視跟蹤器 光電跟蹤系統(tǒng)[2]據(jù)提供運(yùn)動(dòng)目標(biāo)信息方式的不同可分為單桿跟蹤、數(shù)字引導(dǎo)跟蹤、電視跟蹤、紅外跟蹤和激光跟蹤五種主要方式，其中后三種方式原理相似，都是通過光電探測器來獲得目標(biāo)與探測器視軸偏差的脫靶量信息，且電視跟蹤和紅外跟蹤屬于被動(dòng)跟蹤，激光跟蹤屬于主動(dòng)跟蹤。本文主要采用電視跟蹤方法[3]。 電視跟蹤方式下的電視跟蹤器主要有攝像機(jī)和信號處理電路組成，屬于誤差檢測元件，可獲得脫靶量信息。其攝像元件利用光電耦合器件CCD，成像過程主要包括電荷的生成、收集、轉(zhuǎn)移和測量，將測量的模擬電壓信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和相應(yīng)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后經(jīng)過壓縮處理經(jīng)通信連接送入相應(yīng)的存儲盤，對所得圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過成像跟蹤算法提取出目標(biāo)特征點(diǎn)O'，距視軸點(diǎn)O的偏移量即為△L，通過正交分解得到的方位軸和俯仰軸的脫靶量△A和△E分別作為系統(tǒng)輸入信號來引導(dǎo)跟蹤架轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 2-2電視跟蹤方式 其數(shù)學(xué)模型包括一個(gè)擁有有限視場范圍的比例環(huán)節(jié)、一個(gè)慣性環(huán)節(jié)、一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)和采樣保持環(huán)節(jié)。 在模擬跟蹤系統(tǒng)的過程中，攝像機(jī)及電路均有一定的惰性，相當(dāng)于一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，傳遞函數(shù)為： 是這個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) 滯后環(huán)節(jié)用以模擬電視跟蹤器從采樣時(shí)刻起到送出脫靶量的時(shí)間延遲。其傳遞函數(shù)為： t表示延遲時(shí)間 此外，電視跟蹤器每輸出一次信號并保持一幀，因此數(shù)學(xué)模型中還應(yīng)包括一個(gè)采樣保持環(huán)節(jié)： 相比T為采樣保持時(shí)間，對于50赫茲幀頻T=0.02 由于CCD跟蹤器[4]的發(fā)展，電視跟蹤器的惰性已經(jīng)很小了，與滯后環(huán)節(jié)和采樣保持環(huán)節(jié)相比較，對系統(tǒng)的影響已經(jīng)可以忽略，所以，我們在仿真的時(shí)候只考慮滯后環(huán)節(jié)跟蹤器可以簡化為滯后環(huán)節(jié)和采樣保持環(huán)節(jié)的串聯(lián)。 2.2.2 數(shù)字控制器 光電跟蹤伺服系統(tǒng)采用數(shù)字控制器，也就是控制功能都由計(jì)算機(jī)中的程序?qū)崿F(xiàn)。數(shù)字控制器根據(jù)跟蹤方式，操縱命令和工作狀態(tài)，自動(dòng)切換跟蹤方式，通過位置校正及速度校正輸出調(diào)寬脈沖，經(jīng)功率放大來驅(qū)動(dòng)直流力矩電機(jī)，檢測環(huán)節(jié)是光電編碼器，通過光閉合作用產(chǎn)生誤差信號給功率放大器提供輸入信號，來進(jìn)行放大，使系統(tǒng)運(yùn)行下去，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，達(dá)到光電檢測的目的。2.2.3 PWM功率放大器 在光電跟蹤系統(tǒng)中，由于對精度要求很嚴(yán)格，所以采用直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。隨著晶體管等電力電子器件的出現(xiàn)，脈沖寬度調(diào)速已經(jīng)蓬勃地發(fā)展起，并逐漸得到完善。形成了脈寬調(diào)制變換器，或稱直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。 通常電機(jī)能夠工作，需要較大的電流和電壓驅(qū)動(dòng)，而計(jì)算機(jī)或者數(shù)字控制器輸出的信號通常為TTL電平信號，無法直接驅(qū)動(dòng)大功率的電機(jī)。PWM功率放大器就是用來連接數(shù)字控制器的輸出與電機(jī)的輸入端口的橋梁。數(shù)字控制器通常以PWM脈沖的形式輸出信號，該信號通過一個(gè)PWM脈寬調(diào)制電路處理后傳送到PWM功率放大器的輸入端，PWM功率放大器會根據(jù)輸入的PWM脈沖占空比輸出相應(yīng)的電壓和電流信號，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制器到電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。可逆直流PWM系統(tǒng)主要包括雙極、單級和受限單級三種工作模式。 可逆PWM功率放大器采用有多種形式，最常用的是橋式電路，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)而改變?？赡鍼WM變換器的控制方式主要有雙極式、單極式和受限單極式等多種。本文采用的是最常用的雙極式控制可逆PWM變換器。 圖2-3 PWM功率放大器原理圖 2.2.4 直流力矩電機(jī) 直流力矩電機(jī)，是力矩電機(jī)的一種，以直流電作為電源的力矩電機(jī)。它是一種具有軟機(jī)械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機(jī)。這種電機(jī)的軸不是以恒功率輸出動(dòng)力而是以恒力矩輸出動(dòng)力。直流力矩電機(jī)可以以較小輸出轉(zhuǎn)矩，而有較高的輸出轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速和輸出扭力獨(dú)立進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用方便，操作簡單，比一般交流力矩電機(jī)具有更高的操控性。 直流力矩電機(jī)及跟蹤轉(zhuǎn)臺模型電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為： （2.4） 其中Km為電機(jī)力矩系數(shù)，輸出轉(zhuǎn)矩一部分轉(zhuǎn)化為負(fù)載力矩，另一部分用來克服 阻力，根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程得： （2.5） 其中J為轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，b為旋轉(zhuǎn)粘滯阻尼系數(shù)。 （2.6） 根據(jù)電路原理得 （2.7） 聯(lián)立得到 進(jìn)行拉式變換得到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓的關(guān)系為 （2.9） 由于實(shí)際系統(tǒng)中 bL，bR，并令= JL， L/R，K=l/，分別表示電機(jī)時(shí)間常數(shù)和電氣時(shí)間常數(shù)，此時(shí)化簡為： 由于一般系統(tǒng)中Tm>>Te，則電機(jī)傳遞函數(shù)可簡化為: （2.10） 圖2-5 光型電跟蹤系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 圖2-6 高頻情況力矩電機(jī)及跟蹤轉(zhuǎn)臺模型 2.2.5 光電編碼器 光電跟蹤系統(tǒng)中所用角編碼器是一種光電編碼器，也稱碼盤，可用來測量轉(zhuǎn)臺角度和角速度。由于角編碼器屬于數(shù)字測量元件，可直接用于計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制，又可作為A/D轉(zhuǎn)換器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器，光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個(gè)長方形孔。由于光電碼盤與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90度的兩路脈沖信號。 2.3 數(shù)學(xué)模型的建立 根據(jù)對上述的分析建立光電跟蹤伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 目標(biāo) _ _ 圖2-7光電跟蹤系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 圖2.7是光電跟蹤伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。它由輸入目標(biāo)、電視跟蹤器、位置回路校正放大以及速度回路校正和速度滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)組成。 輸入目標(biāo)是模擬實(shí)際目標(biāo)運(yùn)行軌跡的信號發(fā)生器，可以是正弦信號、等速運(yùn)目標(biāo)信號及旋轉(zhuǎn)靶標(biāo)等各種需要模擬的目標(biāo)信號。本論文采用正弦信號。 電視跟蹤器是由攝像機(jī)和信號處理電路組成，是一個(gè)誤差檢測元件。 是位置回路校正放大環(huán)節(jié)，電視跟蹤伺服系統(tǒng)位置回路的設(shè)計(jì)主要是確定其結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 是速度回路校正放大環(huán)節(jié)，其參數(shù)和結(jié)構(gòu)在速度回路設(shè)計(jì)時(shí)確定。 是數(shù)字脈沖調(diào)寬環(huán)節(jié)中的一個(gè)采樣保持環(huán)節(jié)，當(dāng)PWM執(zhí)行頻率很高時(shí)可以等效為一個(gè)慣性環(huán)節(jié)。 是PWM功率放大環(huán)節(jié)中一個(gè)比例環(huán)節(jié)。 控制對象是跟蹤架，為了提高機(jī)械諧振頻率，一般采用直流力矩電機(jī)和跟蹤架直接耦合傳動(dòng)方式，在不考慮高頻諧振時(shí)，其傳遞函數(shù)為，是機(jī)電時(shí)間常數(shù)，是電氣時(shí)間常數(shù)，是電機(jī)反電勢系數(shù)。 是速度回路到位置回路的積分環(huán)節(jié)。 2.4 本章小結(jié) 通過對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立，得到系統(tǒng)各個(gè)部分的傳遞函數(shù)，為下一章光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)做好了基礎(chǔ)。 3 光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1 控制策略 3.1.1 控制系統(tǒng)校正的基本概念 在一定條件下，跟蹤精度是衡量光電跟蹤系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，而在一定硬件條件下可通過選取更好的控制策略來提高系統(tǒng)跟蹤精度?？刂撇呗园ń?jīng)典控制策略和現(xiàn)代控制策略，經(jīng)典控制包括速度位置雙閉環(huán)控制(簡稱雙閉環(huán)控制)、復(fù)合控制等效復(fù)合控制共軸跟蹤控制和動(dòng)態(tài)高型控制等。現(xiàn)代控制包括自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制和內(nèi)?？刂频取Ｗ鳛橐粋€(gè)很成熟的系統(tǒng)，目前工程中光電跟蹤系統(tǒng)主要釆用經(jīng)典控制策略，而經(jīng)典控制策略基本都是在速度位置雙閉環(huán)伺服控制的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的。下面介紹下本文用到的控制方法。 3.1.2 雙閉環(huán)控制 速度位置雙閉環(huán)控制是目前光電跟蹤系統(tǒng)中常用的控制方法,其中速度回路決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,位置回路決定系統(tǒng)的跟蹤精度。通過對設(shè)計(jì)好的速度位置校正參數(shù)的反復(fù)調(diào)試來逐步提高系統(tǒng)的性能。 3.2控制系統(tǒng)校正的基本概念及校正方式 3.2.1 控制系統(tǒng)校正的基本概念 在選定系統(tǒng)的基本元器件如放大元件、執(zhí)行元件、反饋元件等，并且被控對象也已經(jīng)固定時(shí)，這些基本元件或環(huán)節(jié)一起就可以組成最基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，換一種方式講，在那些放大元件也就是擁有部分控制器功能的、以及廣義上的被控對象和傳感器已經(jīng)被固定時(shí)，這時(shí)候我們稱之為“固有系統(tǒng)”。一般來講，就特性而言，固有系統(tǒng)的較差，只是單純的依靠調(diào)整放大系數(shù)往往很難同時(shí)達(dá)到所期望的動(dòng)、靜態(tài)性能要求。要想是系統(tǒng)各方面都達(dá)到動(dòng)、靜態(tài)性能的合格標(biāo)準(zhǔn)，則另外需要引入一些附加的裝置，以此來改變原有系統(tǒng)的特殊性能，而這種附加的可以使原有系統(tǒng)能滿足性能要求目的的裝置便稱之為校正裝置或補(bǔ)償裝置。 從固有系統(tǒng)的校正的動(dòng)機(jī)來看，就可以發(fā)現(xiàn)校正設(shè)計(jì)一直以來都需要圍繞技術(shù)性能要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，而這些要求往往都是作為系統(tǒng)的性能指標(biāo)的形式給出。 性能指標(biāo)經(jīng)常由設(shè)計(jì)制作出被控對象的工作人員或使用人員來提出。因?yàn)閭?cè)重點(diǎn)不一樣，所以每一個(gè)控制系統(tǒng)對性能指標(biāo)的要求都有所不同。往往調(diào)速系統(tǒng)對平穩(wěn)性和穩(wěn)態(tài)精度的要求比較高，而隨動(dòng)系統(tǒng)則比較側(cè)重于對于快速性的要求。提出性能指標(biāo)要既應(yīng)符合實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的需要，又要具有一定的可實(shí)現(xiàn)操作性，指標(biāo)過高因此系統(tǒng)成本過高或使得系統(tǒng)太過復(fù)雜，有時(shí)甚至不可能達(dá)到預(yù)計(jì)要求。 3.2.2 控制系統(tǒng)校正的方式 根據(jù)校正元件在系統(tǒng)中的聯(lián)結(jié)方式，主要可以分為串聯(lián)校正，反饋校正，前置校正和干擾補(bǔ)償四種方法。系統(tǒng)主反饋回路之內(nèi)常采用串聯(lián)校正和反饋校正這兩種校正方法。 （1）串聯(lián)校正元件通常設(shè)置在測量點(diǎn)和放大器之間，串聯(lián)在前向通道上。 （2）反饋校正元件通常被設(shè)置在系統(tǒng)局部反饋回路的反饋通道上。 （3）前置校正又稱前饋校正，主要是在系統(tǒng)主反饋回路之外采用的校正方式之一，在給定前置校正元件的數(shù)值之后，主反饋?zhàn)饔命c(diǎn)之前的前向通道上。 （4）干擾補(bǔ)償就是直接或間接的來測量干擾信號，并且經(jīng)過變換后接入系統(tǒng)，從而形成一條附加的，對干擾的影響進(jìn)行補(bǔ)償?shù)耐ǖ馈? 在串聯(lián)校正中，根據(jù)校正元件對系統(tǒng)性能影響，還可分為超前校正，滯后校正和超前滯后校正。 串聯(lián)超前校正是利用超前校正網(wǎng)絡(luò)的相角超前特性去增加系統(tǒng)的相角裕度作為基本原理，以此改善系統(tǒng)的暫態(tài)性能。 串聯(lián)滯后校正的作用主要有一下兩方面，首先第一點(diǎn)是提高系統(tǒng)的低頻響應(yīng)的增益，減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)基本保證系統(tǒng)的暫態(tài)性能不發(fā)生變化。第二點(diǎn)是遲后校正環(huán)節(jié)的低通濾波器的特性，使系統(tǒng)高頻響應(yīng)的增益衰減，降低系統(tǒng)的截止頻率，提高系統(tǒng)的相角穩(wěn)定裕度，來改善加強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及某些暫態(tài)性能。 如果只采用超前校正或滯后校正都只能優(yōu)化系統(tǒng)暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)的一個(gè)方面的性能指標(biāo)。若未校正系統(tǒng)不穩(wěn)定，而且對校正或系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)都有比較高的要求，則應(yīng)該串聯(lián)滯后—超前校正裝置。利用校正網(wǎng)絡(luò)的超前部分優(yōu)化系統(tǒng)的暫態(tài)性能以及校正網(wǎng)絡(luò)的滯后部分就可以使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得以提高。 3.3 伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.3.1 系統(tǒng)性能分析 從控制原理角度來分析，捕獲跟蹤[8]是一個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的過程，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能決定了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)捕獲跟蹤的能力的強(qiáng)弱。但是電視捕獲系統(tǒng)的視場范圍有限，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)穿過視場的時(shí)間很短，一旦動(dòng)態(tài)性能不好，極有可能因?yàn)槌{(diào)或振蕩的原因?qū)е履繕?biāo)遠(yuǎn)離視場，捕動(dòng)態(tài)獲跟蹤失敗。 良好的動(dòng)態(tài)性能是上升時(shí)間快、超調(diào)小，實(shí)質(zhì)是頻帶寬、穩(wěn)定性好。工程上衡量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的主要技術(shù)指標(biāo)是：系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間和震蕩次數(shù)N。系統(tǒng)的超調(diào)、調(diào)整時(shí)間、位置開環(huán)剪切頻率和系統(tǒng)的相位穩(wěn)定裕度以及諧振峰值之間滿足以下近似關(guān)系： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） 由式3.1可知，相位穩(wěn)定裕度越大，系統(tǒng)的超調(diào)量就越小。超調(diào)量越小，就是捕獲跟蹤時(shí)不會因?yàn)槌{(diào)過大目標(biāo)遠(yuǎn)離視場，也就是不會逸出電視跟蹤器的線性區(qū)域。由式3.2可知，系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率越高和穩(wěn)定裕度越大，系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間越少，動(dòng)態(tài)捕獲跟蹤的速度越快。 3.3.2 速度回路設(shè)計(jì) 速度回路設(shè)計(jì)的目的是滿足位置回路所要求的動(dòng)態(tài)特性，在時(shí)間常數(shù)0.01秒以內(nèi)；滿足系統(tǒng)所要求的速度范圍；滿足力矩誤差對速度回路的要求，要有足夠大的開環(huán)增益，良好的機(jī)械特性和調(diào)速特性。 影響速度回路動(dòng)態(tài)特性的主要因素是速度回路傳遞函數(shù)的增益、帶寬以及傳遞函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式，速度回路的設(shè)計(jì)就是要確定這些參數(shù)來實(shí)現(xiàn)位置回路所需要的動(dòng)態(tài)特性。 速度回路開環(huán)剪切頻率一般要求不大于90rad/s，考慮到諧振頻率ωr的限制，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)。通常選取超前滯后校正環(huán)節(jié)對速度回路進(jìn)行校正，取校正后的速度開環(huán)剪切頻率為左右，為了克服力矩波動(dòng)等干擾的影響通常取較大的開環(huán)增益，本文采用K=1600。 相對于速度回路剪切頻率，跟蹤架的小慣性環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)和諧振頻率很高，為了簡化設(shè)計(jì)和分析，忽略對系統(tǒng)的影響。簡化后的跟蹤架的傳遞函數(shù)[7]是: 采用超前滯后補(bǔ)償進(jìn)行系統(tǒng)校正，其校正函數(shù)的形式為： （1）低頻段決定系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。 （2）中頻段決定了系統(tǒng)的平穩(wěn)性和快速性。 （3）高頻段決定了系統(tǒng)的抗干擾能力。 由此，得到典型0型系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖： 圖3-1 0型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖 為了初步計(jì)算出各參數(shù)的值，我們從右向左計(jì)算各參數(shù)的值，由于和可視為已知，s，s，所以所求的參數(shù)依次為，，。 按照工程要求所對應(yīng)的幅值為10~15dB，這里選為15dB，,利用公式，算出=0.064s。然后將看作和中點(diǎn)，可以算出=0.00202s。通過K值，算出，并求出的幅值，可以算出=1.5526s。 經(jīng)公式計(jì)算和仿真驗(yàn)證，速度回路校正環(huán)節(jié)的參數(shù)如下： （3.8） 校正以后的速度開環(huán)傳遞函數(shù)是： （3.9） 圖3=2 速度回路開環(huán)波特圖 剪切頻率=71.3rad/s，相位裕度Pm=71度，幅值裕度Gm=∞系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 速度回路的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： （3.10） 簡化得： （3.11） 通過仿真得速度回路閉環(huán)波特圖如下： 圖3-3 速度回路閉環(huán)波特圖 從圖中可知速度閉環(huán)近似一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，所以簡化后的速度閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （3.12） 3.3.3 位置回路設(shè)計(jì) 位置回路設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)所要求的一定速度、加速度下的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。 考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，位置環(huán)通常采用I型系統(tǒng)；為了提高系統(tǒng)精度，需要增大開環(huán)低頻增益，因此采用超前滯后校正環(huán)節(jié)進(jìn)行校正，構(gòu)成一種條件穩(wěn)定系統(tǒng)。 圖3-4 I型系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)波特圖 增益及校正時(shí)間常數(shù)的選取應(yīng)考慮到精度要求和其對捕獲過程的影響，此時(shí)可以把速度回路看成是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，當(dāng)作被控對象，參數(shù)的計(jì)算過程遵循 回路參數(shù)的計(jì)算方法。位置校正環(huán)節(jié)可選取以下參數(shù)： 圖3-5 位置回路開環(huán)波特圖 剪切頻率=27.7rad/s，相位裕度Pm=54.7度，滿足系統(tǒng)穩(wěn)定要求。 為了提高系統(tǒng)精度，還分別采取速度、加速度滯后補(bǔ)償[6]的方法，構(gòu)成近似等效復(fù)合控制系統(tǒng)。通過多次仿真實(shí)驗(yàn)的測試，最后選定的速度滯后補(bǔ)償傳遞函數(shù)為： （3.15） 加速度滯后補(bǔ)償傳遞函數(shù)為： （3.16） _ _ 目標(biāo) 圖3-6光電跟蹤雙環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真框圖 系統(tǒng)無滯后補(bǔ)償、只有速度滯后補(bǔ)償和有速度、加速度滯后補(bǔ)償系統(tǒng)的開環(huán)波特圖分別為圖3.7、圖3.8和圖3.9。 圖3-7 系統(tǒng)無滯后補(bǔ)償 圖3-8 有速度滯后償 圖3-9 有速度、加速度滯后補(bǔ)償 這三種條件下，系統(tǒng)均處于條件穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)的開環(huán)剪切頻率都在25rad/s附近，相位穩(wěn)定裕度分別為54.7°、48.7°和42.4°。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，相位裕度至少要45°，最好是60°，雖然此時(shí)系統(tǒng)基本是穩(wěn)定的，但系統(tǒng)穩(wěn)定性卻變差了。 采樣周期為0.0025秒，如果降低系統(tǒng)的位置開環(huán)剪切頻率將無法實(shí)現(xiàn)光電跟蹤系統(tǒng)要求的跟蹤精度。因此，采用電視跟蹤器滯后補(bǔ)償和零階保持補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ醚舆t環(huán)節(jié)來模仿電視跟蹤器因圖象信號建立、掃描以及傳輸?shù)榷喾N原因形成的滯后時(shí)間。用零階保持環(huán)節(jié)來模仿電視跟蹤器一幀圖象保持時(shí)間。在不降低系統(tǒng)開環(huán)剪切頻率的條件下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。 3.4 本章小節(jié) 本章根據(jù)某一具體的光電跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了速度回路和位置回路的設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上建立了光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK[5]仿真模型，為后面MATLAB/SIMULINK仿真和系統(tǒng)性能的分析打下了基礎(chǔ)。 4 基于SIMULINK光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)仿真研究 4.1 引言 計(jì)算機(jī)仿真就是依據(jù)某一系統(tǒng)動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)的數(shù)學(xué)模型，使用計(jì)算機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真模擬，并研究動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)性能指標(biāo)。計(jì)算機(jī)仿真成本低，并且速度快，已被普遍應(yīng)用于工程系統(tǒng)的專研。近年來，MathWorks公司的仿真軟件MATLAB/SIMULINK[10]以其簡單明了的圖形化輸入和仿真結(jié)果顯示，在控制系統(tǒng)仿真中得到了普遍的使用。本章將基于MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真。 4.2 MATLAB/SIMULINK簡介 MATLAB程序設(shè)計(jì)語言是美國MathWorks公司于20世紀(jì)80年代中期推出的高性能數(shù)值計(jì)算軟件。通過MathWorks公司十幾年的開發(fā)、擴(kuò)展與不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為合適多學(xué)科、性能特強(qiáng)、特全的大型系統(tǒng)軟件。在國外MATLAB已經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美高校，MATLAB成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制實(shí)踐、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號解析與剖析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的必備數(shù)學(xué)工具，成為高校大學(xué)生、碩士生、博士生必需會了解的基礎(chǔ)知識與基本技能。 與其他程序設(shè)計(jì)語言相比，MATLAB語言有如下優(yōu)點(diǎn)： （1）簡潔高效性：MATLAB程序設(shè)計(jì)語言集成度高，語句簡單明了，其程序可靠性高、易于檢查改錯(cuò)，可以大大提高解決問題的效率和準(zhǔn)確程度。 （2）科學(xué)運(yùn)算功能：MATLAB語言以矩陣為基本單元，可以直接用于矩陣運(yùn)算。 （3）繪圖功能：MATLAB語言可以用最直觀的語句將數(shù)據(jù)或計(jì)算結(jié)果用圖形的形式顯示出來，并可以將以往難以顯示出來的隱函數(shù)直接用曲線繪制出來。 （4）工具箱與模塊集：MATLAB是被控制界的學(xué)者認(rèn)可的，是控制界通用的計(jì)算機(jī)語言，在應(yīng)用數(shù)學(xué)及控制領(lǐng)域基本所有的研究方向均有自己的工具箱，并且有領(lǐng)域內(nèi)眾多專家編寫。 （5）強(qiáng)大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真功能：Simulink提供的現(xiàn)象框圖的仿真及概念性仿真功能，使得用戶很簡單的建立復(fù)雜系統(tǒng)模型，精確地對其進(jìn)行仿真分析。 Simulink簡介 控制系統(tǒng)仿真研究的一種很常見的要求是通過計(jì)算機(jī)得出系統(tǒng)在某信號驅(qū)動(dòng)下的時(shí)間響應(yīng)，從中得出期望的結(jié)論。對現(xiàn)行系統(tǒng)來說，利用控制系統(tǒng)工具箱中的響應(yīng)函數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行直接仿真與分析。 Simulink提供了各種各樣的模塊，允許用戶用框圖的形式搭建起任意復(fù)雜的系統(tǒng)，從而對之進(jìn)行準(zhǔn)確地仿真。這使得用戶可以輕松地對感興趣的系統(tǒng)執(zhí)行仿真，得出所期待的結(jié)果。 4.3 基于SIMULINK仿真模型的建立 由上面對光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的分析以及設(shè)計(jì)，我們可以得到該系統(tǒng)基 于MATLAB/SIMULINK的仿真模型(詳見圖4.1)。根據(jù)前面的章節(jié)對光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)的組成的分析，以及對其各個(gè)部分的數(shù)學(xué)模型的分析及建立。利用MATLAB/SUMLINK計(jì)算機(jī)仿真軟件建立系統(tǒng)的仿真模型。 圖4-1系統(tǒng)仿真框圖 下面我們用SIMULINK仿真軟件對系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)進(jìn)行仿真。 從系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的角度分析加入雙回路負(fù)反饋對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。 圖4.2、4.3分別系統(tǒng)并入加入雙回路反饋的單位階躍響應(yīng)、未加入雙回路反饋兩個(gè)單位階躍響應(yīng)。 圖4-2系統(tǒng)加入雙回路反饋的單位階躍響應(yīng)曲線 圖4-3系統(tǒng)未并入雙回路反饋的單位階躍響應(yīng)曲線 表4.2 動(dòng)態(tài)性能分析 系統(tǒng) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（單位：秒） 最大值 （度） 加入雙回路負(fù)反饋 1.43 1.285 未加入雙回路負(fù)反饋 2.24 1.395 4.4 仿真結(jié)果分析 從系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)可以看出，不加入雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能差，性能變差的主要表現(xiàn)為：超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變長。 此外，電視跟蹤器的純滯后和采樣保持嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但如何消除或減弱電視跟蹤器對系統(tǒng)的影響成為改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵。 目前解決這些問題的主要方法有：（1）利用曲線插值補(bǔ)償電視跟蹤器延時(shí)[11]的方法，該方法在實(shí)際應(yīng)用中起到一定的補(bǔ)償作用。（2）應(yīng)用預(yù)測濾波技術(shù)[12]，即利用預(yù)測濾波得到目標(biāo)的位置與編碼器的值作差，再將得到的差值作為脫靶量送入跟蹤系統(tǒng)，推動(dòng)電機(jī)跟蹤目標(biāo)，這樣可以取得更加平穩(wěn)和良好的跟蹤效果。 5 總結(jié)與展望 5.1 總結(jié) 本文探討了位置速度雙閉環(huán)控制方法在光電跟蹤伺服控制系統(tǒng)中的實(shí)際工程應(yīng)用，并且對該方法進(jìn)行了仿真得出了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明位置速度雙閉環(huán)控制方法可以提高系統(tǒng)性能，證明了該方法的正確性和有效性，由于很多原因還會造成使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能變差，對此分析了產(chǎn)生這種情況的原因，并提出了解決這種問題常采用的方法——預(yù)測濾波技術(shù)。通過本次設(shè)計(jì)與探究，我認(rèn)為我在以下幾個(gè)方面取得了一些收獲： （1）提出了位置速度雙閉環(huán)控制方法，對提高系統(tǒng)性能進(jìn)行了探究；最后，通過MATLAB/SIMULINK的系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)證明了其提高跟蹤精度的效果。 （2）由于本論文模擬的是理想的輸入以及理想的數(shù)字?jǐn)z像采樣，所以所得出的結(jié)果過于理想，模型的理想使的系統(tǒng)理想的得出結(jié)論。 5.2 展望 提高光電伺服系統(tǒng)的性能已經(jīng)不再滿足要求，隨著目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的增加和對光電跟蹤伺服動(dòng)態(tài)性能要求的提高，所以對光電跟蹤伺服系統(tǒng)提出了更高的要求。還要求穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，而且動(dòng)態(tài)捕獲能力強(qiáng)?，F(xiàn)有的電視跟蹤技術(shù)，是一種基于跟蹤偏差驅(qū)動(dòng)跟蹤的閉環(huán)系統(tǒng)。怎樣提高精度，是未來接下來要解決的問題。雖然，目前有提出動(dòng)態(tài)高型控制方法，可以提高系統(tǒng)的跟蹤精度，但是會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 從控制原理知道，對于這樣的系統(tǒng)，提高穩(wěn)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的方法是增加系統(tǒng)帶寬和增加相位裕度，要求提高電視采樣頻率和減少電視跟蹤器延遲滯后時(shí)間，電視跟蹤器的性能決定了光電跟蹤伺服系統(tǒng)的性能。因此，電視跟蹤器是光電跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要努力提高電視蹤器的工作頻率和減小滯后時(shí)間。 基于現(xiàn)代控制理論的同軸跟蹤，可以對目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行預(yù)測，構(gòu)成一種完全意義上的復(fù)合控制，光電跟蹤伺服系統(tǒng)跟蹤性能可以不完全不依賴于系統(tǒng)帶寬的約束，同時(shí)得到比較準(zhǔn)確的跟蹤精度和良好的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性，是電視跟蹤的發(fā)展趨勢。然而，要得到理想的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，需要采用有效的預(yù)測算法和較為完整的目標(biāo)信息。電視跟蹤器測量是一種極坐標(biāo)下的二維角度測量，極其缺乏距離信息；同時(shí)，電視跟蹤器的測試目標(biāo)各式各樣，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)計(jì)信息并沒有很完善。這些都使光電跟蹤伺服系統(tǒng)控制技術(shù)在電視跟蹤測量的難度增加。 隨著多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的大力發(fā)展，目標(biāo)的信息將會越來越完善，光電跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度也會逐漸變小。因此，目標(biāo)狀態(tài)信息的提取是今后光電跟蹤伺服系統(tǒng)研究的著重點(diǎn)之一。此外，隨著控制理論的發(fā)展，各種先進(jìn)的控制方法不斷涌現(xiàn)。最優(yōu)控制、變結(jié)構(gòu)控制和自適應(yīng)控制等一些先進(jìn)控制方法都已經(jīng)成功應(yīng)用到國外一些光測設(shè)備的伺服控制系統(tǒng)中，如何將這些先進(jìn)的控制方法應(yīng)用我們實(shí)際工程中來是我們目前最大的挑戰(zhàn)。  致 謝 本篇論文是在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師劉興華老師的精心指導(dǎo)下完成的，非常感謝劉興華老師對我給予學(xué)習(xí)上的指導(dǎo)和學(xué)業(yè)上的關(guān)懷。他學(xué)識淵博，視野